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Anwendung einer Doppelbasisdiode nach Patentanmeldung S 56583 VIIIc/21
g zum Ein- und Ausschalten eines über einen Verbraucherwiderstand fließenden Betriebsstromes
Zusatz zur Patentanmeldung S 56583 VIII c / 21 g Aus einer Veröffentlichung von
Suran in »Electronics«, März 1955, ist es bekannt, Doppelbasisdioden als Schaltelemente
zu verwenden. Die Steuerung des Ein- und Ausschaltvorganges erfolgt dabei im Emitterkreis,
im Basiskreis oder durch induktive Ankopplung an einen von Emitter- und Basisstrom
durchflossenen Kreis.
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Die Erfindung betrifft die Anwendung einer Doppelbasisdiode nach Patentanmeldung
S 56583 VIII c / 21 g (deutsche Auslegeschrift 1092 569), bei der der Halbleiterkörper
die Form einer Scheibe hat, deren beide Flächen etwa parallel zur Richtung des Minoritätsträgerflusses
verlaufen, die Basiselektroden auf der einen Fläche der Halbleiterscheibe aufgebracht
sind und die Emitterelektrode zwischen den Basiselektroden auf der gleichen Fläche
der Halbleiterscheibe so ausgebildet ist, daß der Strom zwischen den Basiselektroden
über den gesamten Querschnitt gesteuert wird, in einer an sich bekannten Anordnung
zum Ein- oder Ausschalten eines über einen Verbraucherwiderstand fließenden Betriebsstromes,
bei der eine Spannungsquelle für den Betriebsstrom, insbesondere eine Wechselspannungsquelle
in Reihe mit dem Verbraucherwiderstand in den Emitterkreis geschaltet ist und zum
Ein- bzw. Ausschalten des Betriebsstromes eine weitere Schaltspannungsquelle in
den Basis- oder Emitterkreis geschaltet ist, deren Spannungsgröße steuerbar ist,
und bei der der Verbraucherwiderstand für den Betriebswechselstrom groß ist gegenüber
den übrigen mit ihm in Reihe liegenden Widerständen des Betriebsstromkreises.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung soll die zum Ein- bzw.
Ausschalten dienende Spannungsquelle, wenn sie im Emitterkreis liegt, in Reihe mit
der Betriebswechselspannungsquelle liegen und für die Frequenz des Betriebswechselstromes
nur einen im Vergleich zum Verbraucherwiderstand kleinen Widerstand besitzen.
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Eine nähere Erläuterung der Erfindung wird durch die folgenden Ausführungen
gegeben: In Fig. 1 ist eine Halbleiteranordnung mit zwei auf einen stabförmigen
Halbleiterkörper sperrfrei aufgebrachten Basiselektroden Bi und B2 und einer zwischen
diesen sperrfähig aufgebrachten Emitterelektrode E dargestellt. Zwischen den beiden
Basiselektroden liegt die sogenannte Basisspannung Ub und zwischen dem Ernitter
E und der Basis Bi eine veränderliche Spannung Ue, deren Momentanwert sich aus dem
Momentanwert der Wechselspannung Ee, dem Spannungsabfall am Verbraucherwiderstand
RL ' 1e und gegebenenfalls der Klemmenspannung einer in Fig. 1 nicht gezeichneten
Zusatzspannungsquelle zusammensetzt.
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Die Beziehung zwischen der im Halbleiterkörper zwischen E und Bi wirksamen
Emitterspannung U, und dem Emitterstrom 1e, die bekannte Stromspannungscharakteristik
1 des Emitters mit Ub = konstant, ist in Fig.2 dargestellt. Eine Verminderung
der Basisspannung Ub bzw. eine Erhöhung derselben bedeutet eine Verschiebung der
gesamten Kurve I zu kleineren bzw. größeren Werten der Emitterbasisspannung U, hin,
wobei aber im wesentlichen die Form der Kurve I erhalten bleibt, so lange Ub größer
als Null ist. Für Ub=0 würde man die Gleichrichterkennlinie des p-n-überganges erhalten.
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Die in das Diagramm eingezeichnete Widerstandsgerade 1I schneidet
die Ordinate im Punkt U, = E, und die Abszisse im Punkt 1e = Ee/RL,
wobei sich zum Momentanwert Ee der Wechselspannung gegebenenfalls die Klemmenspannung
der Zusatzspannungsquelle addiert. Die Neigung 9p der Geraden II ist also durch
den im Außenkreis zwischen Emitter E und Basis B1 liegenden Widerstand bestimmt.
Man kann aus dem Diagramm entnehmen, daß der durch den Verbraucher RL fließende
Betriebsstrom um so größer ist, je geringer die Steigung, also der tgcp der Widerstandsgeraden
ist. Daraus ergibt sich, daß (p für hohe Ströme bzw. Leistungen klein sein muß.
Eine
Änderung der Emitterspannung bedeutet eine Parallelverschiebung
der Widerstandsgeraden 1I.
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Das Diagramm der Fig. 2 hat drei mit den Buchstaben a, b und c bezeichnete
und durch die Geraden IIi und II2 voneinander getrennte Bereiche, die im folgenden
näher betrachtet werden sollen: Liegt die mit der Frequenz der im Emitterkreis liegenden
Betriebswechselspannungsquelle schwankende Widerstandsgerade immer, also für alle
Werte der Wechselspannungsamplitude, unter der Kurve I, also in dem mit a bezeichneten
Bereich, so ist der p-n-übergang gesperrt; und es findet kein Minoritätsträgerfluß
vom Emitter E zur Basis Bi statt. Der Betriebsstrom im Emitterkreis ist ausgeschaltet.
Liegt die Widerstandsgerade im Bereich c, d. h. immer über dem sogenannten Spitzenpunkt
A, so ist der p-n-Übergang in Durchlaßrichtung gepolt und der Betriebsstrom im Ernitterkreis
eingeschaltet. Eine im Bereich b zwischen den Bereichen a und e liegende Gerade
schneidet die Kurve I in drei Punkten R, T und S. Wird die Gerade durch Änderung
der Emitterspannung U, oder durch Änderung der Basisspannung Ub vom Sperrbereich
a in den Bereich b des Diagramms verschoben, so liegt der Arbeitspunkt
des Emitterkreises in R. Es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom durch den Verbraucher.
Der p-n-Übergang bleibt gesperrt. Wird aber die Gerade aus dem Flußbereich c durch
Änderung der Emitterspannung U, oder der Basisspannung Ub in den Bereich
b verschoben, so liegt der Arbeitspunkt des Emitterkreises in S, im sogenannten
Sättigungsbereich der Stromspannungscharakteristik. Der p-n-übergang bleibt in Durchlaßrichtung
gepolt. Da der Sperrzustand bzw. der Flußzustand des p-n-Überganges im Bereich b
unveränderlich bleibt, kann man ihn auch als Haltebereich bezeichnen. Der zwischen
R und S liegende Punkt T ist ein instabiler Punkt.
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Zur Erläuterung des Ein- und Ausschaltvorganges soll im folgenden
die Relativverschiebung zwischen den Kurven I und II betrachtet werden.
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Zunächst soll der Fall betrachtet werden, daß die von der Betriebswechselspannung
und einer gegebenenfalls in Reihe mit der Betriebswechselspannungsquelle liegenden
Zusatzspannung im Emitterbasiskreis maximal erzeugte Emitterbasisspannung, insbesondere
die Amplitude der Betriebswechselspannung, kleiner als die dem Spitzenpunkt A der
Stromspannungscharakteristik I des Emitters entsprechende Emitterbasisspannung ist
und zum Einschalten des Betriebsstromes ein Spannungsimpuls, dessen Dauer klein
ist gegenüber der Dauer einer Halbwelle des Betriebsstromes, dient, der die Gerade
in den Flußbereich e anhebt. Dient zum Einschalten z. B. ein Rechteckimpuls und
sinkt die Gerade nach Beendigung des Impulses in den Sperrbereich a ab, so ist die
; Einschaltdauer gleich der Impulsdauer. Liegt sie nach Beendigung des Impulses
im Haltebereich b, so kann sich der Betriebsstrom selbstätig ausschalten, wenn die
Gerade im Verlauf einer Periode der Betriebswechselspannung in den Sperrbereich
a absinkt. Die Phase, bei der selbsttätiges Ausschalten eintritt, ist dann von der
im Emitterkreis liegenden Zusatzspannungsquelle abhängig, da durch diese die Grenzwerte
auf Abszisse und Ordinate bestimmt werden, zwischen denen die Gerade im Verlauf
einer Periode der Wechselspannung schwankt. Liegt insbesondere keine Zusatzspannung
im Emitterkreis, so muß die Widerstandsgerade beim Nulldurchgang der Wechselspannung
immer in. den Sperrbereich a absinken. Liegt die Gerade nach Beendigung des Impulses
unabhängig von der jeweiligen Phase der Betriebswechselspannung im Haltebereich
b, so fließt weiterhin ein Strom, der erst durch einen Impuls im Emitter- oder Basiskreis,
der die Widerstandsgerade 1I in den Sperrbereich a schiebt, abgeschaltet werden
kann.
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Es kann aber auch die von der Betriebswechselspannung und einer gegebenenfalls
in Reihe mit der Betriebswechselspannungsquelle liegenden Zusatzspannung maximal
erzeugte Emitterbasisspannung, insbesondere die Amplitude der Betriebswechselspannung,
kleiner sein als die dem Spitzenpunkt A der Stromspannungscharakteristik I entsprechende
Emitterbasisspannung und zum Ein- und Ausschalten des Betriebsstromes eine Schaltgleichspannung,
also ein Impuls, der lang gegen die Dauer einer Halbwelle der Betriebswechselspannung
ist, dienen und beim Einschalten durch diese Schaltgleichspannung das Maximum der
mit der Betriebsfrequenz schwankenden Emitterspannung so hoch über den Spitzenpunkt
A in den Flußbereich c angehoben werden, daß die mit der Betriebsfrequenz schwankende
Widerstandsgerade nicht unter die Charakteristik I absinkt. So lange die Schaltgleichspannung
eingeschaltet ist, fließt dann ein Betriebsstrom im Emitterkreis. Sinkt die Widerstandsgerade
nach dem Ausschalten der Schaltgleichspannung, also nach Beendigung des Impulses,
in den Sperrbereich a ab, so bleibt der Betriebsstrom ausgeschaltet, und die Einschaltdauer
ist gleich der Impulsdauer. Wenn die Widerstandsgerade nach dem Ausschalten der
Schaltgleichspannung in den Haltebereich b absinkt, so fließt zunächst der Betriebsstrom
weiter. Er wird, falls die Widerstandsgerade während einer Periode der Betriebswechselspannung
in den Sperrbereich a absinkt, bei einer bestimmten Phase der Betriebswechselspannung,
die von der Zusatzgleichspannung im Emitterkreis abhängt, selbsttätig ausgeschaltet.
Ist die Zusatzgleichspannung insbesondere gleich Null, so geschieht dieses selbsttätige
Ausschalten des Betriebsstromes annähernd beim Nulldurchgang der Wechselspannung.
Sinkt die Widerstandsgerade im Verlauf einer Periode der Betriebswechselspannung
nicht in den Sperrbereich a ab, so muß der Betriebsstrom durch einen Impuls, der
die Gerade vom Haltebereich b in den Sperrbereich a schiebt, ausgeschaltet werden.
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Es kann aber auch in Reihe mit der Betriebsspannungsquelle eine Zusatzgleichspannungsquelle
mit einem bei der Betriebsfrequenz kleinen Widerstand liegen; deren Spannung zusammen
mit der Betriebswechselspannung größer als die dem Punkt A der Charakteristik I
entsprechende Spannung U, ist und stets so groß, daß die Widerstandsgerade nicht
unter die Charakteristik I in den Sperrbereich a absinkt. Es ist dann zum Ausschalten
des nun dauernd fließenden Betriebsstromes ein Impuls notwendig, durch den die Widerstandsgerade
in den Sperrbereich a verschoben wird. Die Ausschaltdauer ist gleich der Impulsdauer,
und das Einschalten erfolgt selbsttätig.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den in den Fig. 3 und
4 dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
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Als Schaltelement wird eine Halbleiteranordnung nach Patentanmeldung
S 56583 VIII c/21 g mit kreisscheibenförmiger Ausbildung des Halbleiterkörpers 4
und konzentrischer Elektrodenanordnung verwendet. Diese eignet sich wegen der besonderen
Ausbildung
des Emitters, durch den bei dieser Anordnung der gesamte
Querschnitt des Halbleiterkörpers gesteuert wird und der großflächigen Ausbildung
der Basiselektroden besonders zum Schalten hoher Ströme bzw. Leistungen. Die Basiselektrode
3 ist als Kreisring ausgebildet, der die scheibenförmige Basiselektrode 1 konzentrisch
umgibt. Zwischen beiden Elektroden ist der Emitter 2 aufgebracht, der die entgegengesetzte
Leitfähigkeit als der übrige Teil der Scheibe hat und der die Basiselektrode 1 ebenfalls
konzentrisch umgibt und hier als Kreisring ausgebildet ist. Zur besseren Wärmeabfuhr
werden die Scheiben mit einer dünnen Isolierfolie auf einen Kupferboden 5 aufgeklebt.
Zwischen dem Emitter 2 und der Basis 1 liegen die Wechselspannungsquelle 6, der
Verbraucherwiderstand 7 und gegebenenfalls die Zusatzspannungsquelle 8, die zur
Verschiebung der Phase, bei der selbsttätiges Ausschalten der Wechselspannung eintritt,
dient. Im Basiskreis zwischen 1 und 3 liegen die Basisspannungsquelle 9 und in Fig.
3 z. B. die Schaltspannungsanordnung, mit der durch Öffnen und Schließen der Taste
11 über den Widerstand 10 vorzugsweise ein Impuls 12 erzeugt wird, der lang gegen
die Dauer einer Halbwelle der Betriebswechselspannung ist.
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In Fig. 4 werden z. B. mit der Schaltspannungsanordnung im Basiskreis
zum Ein- und Ausschalten des Betriebsstromes Impulse der Form 18 erzeugt, die kurz
gegen die Dauer einer Halbwelle der Betriebswechselspannung sind. Durch Öffnen und
Schließen der Taste 16 erhält man einen Rechteckimpuls, der durch das nachfolgende,
durch den Kondensator 14 und den Widerstand 13 gebildete RC-Glied differenziert
wird. Beim Schließen der Taste 16 liegt praktisch die ganze Klemmenspannung der
Spannungsquelle 17 am Widerstand 13. Durch Aufladen des Kondensators 14 sinkt sie
auf Null ab, wobei die Dauer des Impulses durch das vom Widerstand 13 und Kondensator
14 gebildete RC-Glied bestimmt wird. Je kürzer der Impuls ist, desto besser ist
die Annäherung an die Rechteckform. Beim Öffnen des Schalters wirkt der Kondensator
14 als Spannungsquelle und entlädt sich insbesondere über den Widerstand 15. Man
erhält so einen Spannungsimpuls in umgekehrter Richtung.
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Die Betriebsspannungsquelle kann auch, wie in den Ausführungsbeispielen
der Fig. 5 und 6 näher erläutert wird, eine Gleichspannungsquelle sein und die Anordnung
zum Ein- und Ausschalten dieser Gleichspannung verwendet werden.
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In der in Fig. 5 dargestellten Anordnung kann die durch die Spannungsquelle
19 im Basiskreis anliegende Basisspannung, die so groß ist, daß die durch die Gleichspannungsquelle
23 und den Verbraucherwiderstand 22 bestimmte Widerstandsgerade im Bereich a liegt,
also kein Strom im Emitterkreis fließt, durch Öffnen des Schalters 18 unterbrochen
werden. Für Uv = 0 erhält man die Gleichrichtkennlinie des p-n-überganges.
Ist daher der Halbleiterkörper 4 ein p-Leiter und die Emitterelektrode 2 aus n-dotierendem
Material, so fließt bei der angegebenen Polarität der Gleichspannungsquelle 23 im
Emitterkreis ein Strom. Für einen Halbleiterkörper mit n-Leitung und p-dotierendem
Emitter muß die Spannungsquelle umgepolt werden. Das Ausschalten dieses durch den
Verbraucherwiderstand 22 fließenden Stromes kann entweder einfach durch Unterbrechung
des Betriebsstromkreises erfolgen oder z. B. durch einen Gegenimpuls, der, wie in
Fig.5 dargestellt, etwa durch eine durch Umlegen des Schalters 20 in Pfeilrichtung
erfolgende Entladung des Kondensators 21 in den Betriebsstromkreis eingeführt werden
kann.
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Die Anordnung der Fig. 6 kann zum Zerhacken eines Gleichstromes benutzt
werden. Die Spannungsquelle 24 bestimmt die im Basiskreis anliegende Basisspannung.
Zum Ein- und Ausschalten des durch den Verbraucherwiderstand 26 und die Spannungsquelle
25 fließenden Betriebsstromes können in den Betriebsstromkreis abwechselnd positive
und negative Spannungsimpulse eingeprägt werden. Zur Impulserzeugung kann z. B.,
wie in Fig. 6 dargestellt, ein Sättigungswandler 32 benutzt werden. Die durch die
Wechselstromquelle 30 und diesen Sättigungswandler über den übertrager 31 in den
Betriebsstromkreis eingespeisten Impulse haben die Form 33. Durch Vormagnetisierung
des Sättigungswandlers mit einem durch die Spannungsquelle 27 erzeugten, über den
Widerstand 28 und die Spule 29 fließenden Gleichstrom in der einen oder anderen
Richtung, kann der Abstand der Impulse abweichend von 180° verbreitert oder kleiner
gemacht werden. Auf diese Weise kann das Verhältnis der Ein- und Ausschaltdauer
und damit der Mittelwert des zerhackten Gleichstromes gesteuert werden.