DE1057695B - Verfahren und Anordnung zum Herbeifuehren eines Spannungs-durchbruches von Schaltdioden nach Art von n-p-n-p-Anordnungen - Google Patents

Description

• Verfahren und Anordnung zum Herbeiführen eines Spannungsdurchbruches von Schaltdioden nach Art von n-p-n-p-Anordnungen Die Erfindung bezieht sich darauf, bei Schaltdioden mit vier Schichten nach Art von n-p-n-p-Anordnungen od. dgl. den Spannungsdurchbruch herbeizuführen. Bereits auf vielen Gebieten der Starkstromtechnik hat man mechanisch arbeitende Schaltanordnungen durch elektronische Schalter ersetzt und sich deren Vorteile zunutze gemacht. Von den zu Schaltzwecken verwendbaren elektronischen Halbleitern hat der Transistor hohe Bedeutung gewonnen, weil er einerseits ein hohes Verhältnis von Sperrwiderstand zu Durchlaßwiderstand besitzt und sich außerdem leicht über eine dritte Elektrode steuern läßt. In der Starkstromtechnik wird aber meist als nachteilig empfunden, daß der Transistor eine Sättigungskennlinie aufweist und daß bei Überschreiten des Sättigungsstromes die Gefahr einer augenblicklichen Zerstörung des Transistors auftritt.
• Man ist aus diesem Grund bestrebt, zum Schalten sogenannte Schaltdioden der vorgenannten Art zu verwenden, bei denen sich der Halbleiter so dimensionieren läßt, daß er den geforderten Strömen standhält. Bei Schaltdioden müssen aber wegen des Fehlens einer dritten, als Steuerelement wirksamen Elektrode besondere Maßnahmen getroffen werden, um den zur Ausführung des Schaltvorganges erforderlichen Spannungsdurchbruch einzuleiten.
• Schaltdioden der vorgenannten Art haben eine Strom-Spannungs-Charakteristik nach Fig. 1. Wie daraus ersichtlich ist, sind sie in der einen Stromrichtung (Rückwärtsrichtung) unterhalb einer bestimmten Spannung praktisch stromsperrend, lassen aber bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung für die Dauer dessen Bestehens Strom durch. In der anderen Stromrichtung (Vorwärtsrichtung) sperren sie ebenfalls, solange die angelegte Spannung unterhalb eines Durchbruchswertes bleibt. Wird die Durchbruchsspannung nur kurzzeitig erreicht oder überschritten, dann läßt die Schaltdiode einen starken Stromfluß zu, der auch bei unterhalb des Durchbruchswertes aufrechterhalten bleibt, solange eine kleine Spannung anliegt.
• Man kann mit einer solchen Schaltdiode also eine Wechselspannung gleichrichten und die Halbwellen in Vorwärtsrichtung steuern.
• Es wäre jedoch ein zusätzlicher Gleichrichter bei einer solchen n-p-n-p-Schaltdiode erforderlich, wenn die Zündung galvanisch oder kapazitiv durch Anlegen einer Spannung parallel zur Diode und in derselben Polarität wie die Netzspannung erfolgen soll.
• Dies ist in Fig. 2 veranschaulicht. Hier liegt die n-p-n-p-Schaltdiode 1 im Stromkreis eines von einer an den Klemmen 2 und 3 angelegten Wechselspannung U ausgehenden Stromes in Reihe mit dem Belastungswiderstand 4. Wenn nun die n-p-n-p-Schaltdiode 1 durch eine Steuerspannung, welche der Spannungsquelle 5 entnommen wird, gezündet werden soll, wobei noch ein Transistor 6 im Zündstromkreis vorgesehen sein mag, so ist es notwendig, Gleichrichter 7 und 8 vorzusehen, von denen der Gleichrichter 7 im Arbeitsstromkreis und der Gleichrichter 8 im Zündstromkreis liegen. Aufgabe der Erfindung ist es nun, diese unerwünschten Gleichrichter zu vermeiden und das Zünden der Schaltdiode zu vereinfachen. Man könnte nun daran denken, zur Vermeidung der Gleichrichter die Sekundärwicklung eines Transformators in den Hauptkreis zu legen und die Steuerspannung an eine Primärwicklung des Transformators galvanisch getrennt von der Sekundärseite anzulegen. Ein zusätzlicher Transformator würde aber wiederum einen unerwünschten Aufwand bedeuten, den zu vermeiden die Erfindung bestrebt ist.
• Eine weitere Möglichkeit der Zündung wäre noch dadurch denkbar, daß man die Diode mit einer besonderen Zündelektrode versähe: Man könnte dann auf einen besonderen Sperrgleichrichter bzw. Zündtransformator verzichten und käme auf die Weise zu einer n-p-n-p-Schalttriode. Dabei müßte man aber wieder andere Nachteile in Kauf nehmen. So erfordert die dritte Elektrode eine besondere Kontaktierung. Außerdem verringert die dritte Elektrode den Querschnitt der Emitterelektrode und setzt die zulässige Strombelastung herab. Abgesehen davon käme man trotzdem in vielen Fällen nicht zum Ziele, denn bei einer solchen Steuerung -sei es mit galvanischer, sei es mit kapazitiver oder transformatorischer Kopplungtreten zusätzlich Schwierigkeiten in den Steuerkreisen auf, die unter anderem eine Trennung der Potentiale erforderlich machen, andererseits aber Maßnahmen als notwendig erscheinen lassen, um Rückwirkungen vom Hauptkreis auf den Zündkreis zu vermeiden.
• Nach der Erfindung können die geschilderten Nachteile bei Verwendung von Schaltdioden nach Art von n-p-n-p-Anordnungen dadurch vermieden werden, daß unter Ausnutzung lichtelektrischer Effekte die Zündung durch vorzugsweise sichtbares Licht enthaltende Strahlungen auf die äußere p-Schicht und/oder andere Teile der Schaltdiode eingeleitet wird. Der zum Erreichen des Spannungsdurchbruches notwendige Zündstromwert wird somit nicht wie bisher üblich allein durch Potentialänderungen an den Elektroden, sondern nunmehr durch den lichtelektrischen Effekt hervorgerufen.
• Es ist zwar bekanntgeworden, daß bei einem in Sperrichtung gepolten p-n-Übergang eines p-n-p-Transistors Trägerpaare durch Lichteinstrahlung erzeugt werden können und daß der Sperrstrom darauf sehr empfindlich reagiert. Über die Art der Reaktion ist jedoch nichts bekannt. Da einerseits eingangs bereits angegeben ist, daß Transistoren eine andere Wirkungsweise haben als Schaltdioden der vorgesehenen Art und andererseits über die besondere Art der Reaktion bei Transistoren auf Lichteinwirkung nichts bekannt ist, kann aus der Tatsache allein, daß Transistoren auf Lichteinwirkungen irgendwie reagieren, keine Anregung in Richtung der Erfindung entnommen werden.
• Beim Gegenstand der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß durch die lichtelektrische Zündung der Schaltdioden jegliche Gleichrichter in den Zünd- und Arbeitsstromkreisen der Schaltdioden entbehrlich sind.
• In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel in seinen für die Erfindung wesentlichen Teilen in vereinfachter schematischer Darstellung veranschaulicht. Hier handelt es sich um den Aufbau einer n-p-n-p-Schaltdiode, welche mit einer steuerbaren Strahlungsquelle vereinigt ist. Als steuerbare Strahlungsquelle wird eine Lumineszenzquelle verwendet, die in dichte Nachbarschaft mit der Schaltdiode, und zwar mit der äußeren p-Schicht derselben, gebracht ist. Die mit 1 bezeichnete n-p-n-p-Schaltdiode mit den Anschlüssen 9 und 10 ist mit Hilfe eines Strahlungsdurchlässigen Isolators, z. B. einer Glasscheibe 11, von der Lumineszenzzelle getrennt. Mit 12 ist der Lumineszenzhalbleiter bezeichnet, dessen Unterseite die Leiterschicht 14 trägt, während an der der äußeren p-Schicht der Schaltdiode zugewandten Seite eine lichtdurchlässige Halbleiterschicht 13 vorgesehen ist. An den Elektrodenanschlüssen 15 und 16 des Lumineszenzhalbleiters 12 liegt die Steuerspannung, welche eine Wechselspannung von 50 Hz oder höherer Frequenz sein kann. Es ist auch möglich, die Zelle mit Impulsen zu steuern. An Stelle einer Elektrolumineszenzzelle können naturgemäß auch andere Licht- oder sonstige Strahlungsquellen verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, daß eine Beleuchtungsstärke von etwa 20 000 Lux ausreicht, um einen Zündstrom von einigen Milliampere zu erzeugen. In Fig. 4 ist ein Anwendungsbeispiel für das vorliegende Verfahren dargestellt. Hier sind für drei Phasen einer Drehstromschaltung sechs n-p-n-p-Schaltdioden vorgesehen, die einen Verbraucher 40 schalten sollen. In Dreiphasennetzen kommt es unbedingt darauf an, daß die Potentiale der einzelnen Phasen getrennt voneinander bleiben, so daß nur solche Zünd- oder Steuereinrichtungen verwendbar sind, welche potentialtrennende Mittel aufweisen. Bei Einleiten des Spannungsdurchbruches mit Hilfe lichtelektrischer Effekte ergeben sich hierbei namhafte Vorteile.
• Die einzelnen n-p-n-p-Schaltdioden sind mit 21 bis 26 bezeichnet und jeweils ihre äußeren p-Schichten mit Elektrolumineszenzzellen 27 bis 32 verbunden. Die Steuerspannungen werden an die Klemmen 33, 34 und 35 sowie 36, 37 und 38 angelegt. Es handelt sich hierbei um unsymmetrische Steuerspannungen, deren gemeinsamer Pol an die Klemme 39, welche auf Nullpotential liegt, angeschlossen ist. Als Steuerspannungen können Wechselspannungen beliebiger Kurvenform, gegebenenfalls auch Impulse, verwendet werden.
• Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des vorliegenden Verfahrens ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht, welche eine Kaskadenschaltung im Schaltschema und im perspektivischen Aufbau veranschaulichen. Bei Hochspannungsschaltern kann eine solche aus mehreren n-p-n-p-Schaltdioden bestehende Reihenschaltung Verwendung finden. Die vier n-p-n-p-Schaltdioden 41 bis 44 sind gegebenenfalls durch Stabilisierungswiderstände 45 bis 48 überbrückt, um eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf die einzelnen Schaltdioden sicherzustellen. Zur Steuerung müssen die Zündstromkreise potentialmäßig voneinander getrennt sein. Es ist daher zweckmäßig, bei hohen Spannungen einen Übertrager 49 zu verwenden, welcher neben einer Primärwicklung 50 vier getrennte und hochspannungsmäßig gegeneinander isolierte Sekundärwicklungen 51 bis 54 aufweist. Andererseits ist es aber auch denkbar, wie dies in Fig. 6 versinnbildlicht ist, eine gemeinsame Lumineszenzzelle vorzusehen, welche sämtliche n-p-n-p-Schaltdioden gemeinsam gleichzeitig mit Licht beaufschlagt. Durch ausreichende Isolation, z. B. genügend großem Abstand zwischen Lumineszenzzelle und den einzelnen äußeren p-Schichten der n-p-n-p-Schaltdioden, kann die Anordnung spannungssicher aufgebaut werden.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Herbeiführen eines Spannungsdurchbruches von Schaltdioden nach Art von n-p-n-p-Anordnungen od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausnutzung lichtelektrischer Effekte die Zündung durch vorzugsweise sichtbares Licht enthaltende Strahlungen auf die äußere p-Schicht und/oder andere Teile der Schaltdiode eingeleitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Beleuchtungsstärken von etwa 20 000 Lux angewendet werden.
3. 3. Nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2 zu zündende Schaltdiode nach Art von n-p-n-p-Anordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß bei dichtbenachbarter Anordnung einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Lichtquelle, sich zwischen dieser und der Schaltdiode ein strahlungsdurchlässiger Isolator, z. B. Glas, befindet.
4. 4. Schaltdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle eine Lumineszenzzelle vorgesehen ist.
5. 5. Schaltdiode nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Lumineszenzhalbleiter, der auf der einen Seite mit einer Leiterschicht und auf der anderen, der Schaltdiode zugewandten Seite mit einer durchlässigen Halbleiterschicht versehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: E. Spenke, »Elektronische Halbleiter«, Berlin/ Göttingen/Heidelberg, 1955, S. 106; »NTZ«, Bd. 10 (1957), Heft 4, S. 195 bis 199.