DE1215754B

DE1215754B - Elektronischer Schalter

Info

Publication number: DE1215754B
Application number: DED43710A
Authority: DE
Inventors: Arne Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1964-02-24
Filing date: 1964-02-24
Publication date: 1966-05-05
Also published as: US3395446A; GB1100834A; FR1424860A; BE659775A; NL6502249A; DK109567C

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al-36/18

Nummer: 1215 754

Aktenzeichen: D 43710 VIII a/21 al

Anmeldetag: 24. Februar 1964

Auslegetag: 5. Mai 1966

Die Erfindung besteht darin, daß drei Halbleiterschaltelemente, die beim Überschreiten eines Schwellenwerts einer angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand schalten, in einem Sternpunkt verbunden sind und daß an der freien Elektrode des ersten Halbleiterschaltelements gemeinsam der eine Pol des zu schaltenden Stromkreises und der eine Pol eines eine Steuerspannung abgebenden Steuergeräts, an der freien Elektrode des zweiten Halbleiterschaltelements der andere Pol des zu schaltenden Stromkreises und an der freien Elektrode des dritten Halbleiterschaltelements der andere Pol des Steuergeräts angeschlossen ist.

Bei diesem Aufbau ist ein Halbleiterschaltelement für Stromkreis und Steuerkreis gemeinsam, während die beiden anderen Halbleiterschaltelemente'jeweils nur dem Stromkreis und nur dem Steuerkreis zugeordnet sind. Stromkreis und Steuerkreis sind daher durch je ein Halbleiterschaltelement voneinander getrennt, sofern nicht gleichzeitig ein Steuerimpuls und ein Belastungsstrom fließen. Infolgedessen ist die gegenseitige Beeinflussungsmöglichkeit ein Minimum. Obwohl der Steuerimpuls im Stromkreis nur das gemeinsame Halbleiterschaltelement in den niederohmigen Zustand bringt, genügt dies doch zum Einschalten auch des anderen Stromkreishalbleiterschaltelements, weil dann an diesem die volle Netzspannung liegt, die — wenn der Schwellenwert des Halbleiterschaltelements etwas darunter liegt — zum Umschalten in den niederohmigen Zustand ausreicht.

Der Erfindungsvorschlag ist besonders geeignet für solche Halbleiterschaltelemente, bei denen nicht — wie z. B. bei einer Mehrschichtdiode — der gesamte Körper vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand übergeht, sondern für den hindurchfließenden Strom nur ein niederohmiger Pfad bei jedem Umschaltvorgang neu entsteht. Solche Halbleiterschaltelemente haben zumeist einen sperrschichtfreien polykristallinen Aufbau. Bei diesen Halbleiterschaltelementen ist es schwierig, daß der Belastungsstrom auch den vom Steuerimpuls vorgezeichneten Pfad »findet«. Dieses Problem tritt nicht auf, wenn der Steuerimpuls über die gleichen Elektroden zugeführt wird, an die auch der Stromkreis angelegt ist; dann aber sind Steuerkreis und Stromkreis so eng miteinander verknüpft, wie es erfindungsgemäß gerade vermieden werden soll. Führt man den Steuerimpuls aber an einer anderen Stelle zu, liegt der vom Steuerimpuls vorgezeichnete Pfad nicht in der Bahn des Belastungsstromes. Da beim erfindungsgemäßen Schalter eines der Halbleiterschaltelemente ausdrücklich für Steuerkreis und Stromkreis gemein-Elektronischer Schalter

Anmelder:

Danfoss A/S, Nordborg (Dänemark)

Vertreter:

Dr.-Ing. U. Knoblauch, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Kühlhornsweg 10

Als Erfinder benannt:

Arne Jensen, Havnbjerg, Nordborg (Dänemark)

sam ist, kann das aufgezeichnete Problem hier nicht auftreten.
Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang die Anwendung von 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 Halbleiterschaltelemente, die hochbelastbar und sehr leicht herstellbar sind. Außerdem läßt sich bei ihnen die Schwellenspannung durch Wahl des Mischungsverhältnisses oder durch Wahl der Dicke des Elements entsprechend den Erfordernissen 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.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel können mindestens zwei Halbleiterschaltelemente zu einem gemeinsamen Element mit einer Mittelelektrode vereinigt sein. Auf diese Weise ist das Anschließen der Reihenschaltung gegenüber derjenigen von einzelnen

Halbleiterschaltelementen erleichtert.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel können die drei Halbleiterschaltelemente zu einem gemeinsamen Element verbunden sein. Beispielsweise können diese drei Halbleiterschaltelemente als Schicht auf eine leitende Platte aufgetragen sein. Diese Platte kann beispielsweise den Sternpunkt darstellen. Ein besonders einfaches und kleines Element ergibt sich, wenn auf die Halbleiterschalterschicht eine Elektrodenschicht aufgetragen und durch eine Trennfuge in

zwei getrennte Abschnitte geteilt ist; dann bilden die beiden Elektrodenabschnitte und die Platte je eine der drei freien Elektroden der Sternpunktschaltung.

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Statt der sperescMchtfreien Halbleiterschaltelemente in jeder Halbwelle einen Schaltimpuls gibt, fließt können auch andere bekannte Halbleiterschalteleinente ein entsprechender Wechselstrom über den Lastbenutzt werden, beispielsweise aus mehreren mono- widerstand 2.

kristallinen Schichten aufgebaute Dioden, wie die In Fig. 3 ist eine praktische .Ausführungsform

bekannte Fünfschichtdiode. Auch können die drei 5 veranschaulicht,, bei der auf- eine Platte 9 eine

Halbleiterschaltelemente jeweils aus mehreren Einzel- Schicht 10 eines sperrschichtfreien polykristallinen

schaltern bestehen, ohne daß dadurch am Erfolg Halbleiterschaltermaterials aufgedampft ist. Da der

etwas geändert wird. Strom sich jeweils nur einen begrenzten Pfad sucht,

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich der im Elektrodenbereich beginnt, kann man sich die

aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Aus- ₁₀ Schicht 10 durch zwischen den Elektroden verlaufende

führungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeich- Trennlinien 11 und 12 in drei Abschnitte 3 a, 4 a, Sa

nung. Es zeigt getrennt denken, die den drei Halbleiterschaltelemen-

Fig. 1 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm ten 3, 4, 5 in Fig. 2 entsprechen. Die Platte 9 bildet

für em_r erfindungsgemäß verwendbares Halbleiter- dann den Sternpunkt.

schaltelement, ₁₅ In F i g. 4 ist auf eine Platte 13 eine Schicht 14 aus

_ Fig. 2 einen Schalter in dem zugehörigen Schalt- Halbleiterschaltermaterial und darüber eine Elektro-

bild, denschicht 15 aufgedampft: Anschließend wurde eine

F i g. 3 eine praktische Ausführungsform des Schal- Trennfuge erzeugt, die die Elektrodenschicht 15 voll-

ters im Schaltbild und ständig durchtrennt, so daß sich zwei Elektroden-

Fig. 4 eine weitere praktische Ausführungsform _ao abschnitte 15a und 15 & ergeben. Je nach den gegebe-

des Schalters im Schaltbild. nen Verhältnissen können die Abmessungen der

In dem Diagramm der F i g. 1 ist der Strom / eines einzelnen Schichten sehr gering sein. Ihre Dicke kann

symmetrischen Halbleiterschaltelements auf Tellur- in der Größenordnung von Mikron liegen,

basis über der Spannung U aufgetragen. Unterhalb Wird an diese Anordnung ein Steuerimpuls gelegt,

der Schwellenspannung ±U_S ist der Strom nahezu ₂₅ so ergibt sich ein Strompfad, der im Bereich der

Null, da das Schaltelement seinen hochohmigen Zu- Trennfuge 16 zwischen der Elektrode 15 & und der

stand eingenommen hat, bei dem sein Widerstand Platte 13 verläuft. Der Grund für diese ausgeprägte

bis zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Lage des Strompfades ist vermutlich darin zu sehen,

Sobald jedoch die Schwellenspannung U_s überschrit- daß an der geritzten Seite der Elektrodenfläche

ten ist, springt das Halbleiterschaltelement in seinen , scharfe Elektrodenkanten auftreten, an denen eine

niederohmigen-Zustand (Kurven) um, bei dem es erhöhte Feldstärke herrscht, oder daß beim Ritzen

einen Widerstand von 1 Ohm oder weniger hat. Den die Schicht 14 etwas in ihrer Gleichmäßigkeit beein-

niederohmigen Zustand behält das Schaltelement bei, trächtigt ist. Wenn aber an dieser Stelle die Schicht

bis der hindurchfließende Strom einen Halfewert I_n 14 in den niederohmigen Zustand überführt worden

unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Null- ist, liegt ein Netzspannung führender Punkt dichter

punktes liegen kann_:.^: Beim: Unterschreiten von I₁₁ ³⁵ an der geritzten Seite der Elektrode 15 a als die

schaltet das Halbleiterschältelement in den hoch- Platte 13. Infolgedessen kann auch hier das Um-

ohmigen Zustand zurück, .' . ' . schalten in den niederohmigen Zustand erfolgen. Das

Der Stromkreis in Fig. 2 besteht aus einer bedeuter, daß man die Schicht 14 im Ersätzschaltbild

Wechselstromquelle 1, einem Verbraucher in Form der Fig. 2 darstellen kann. -

eines Lastwiderstandes 2 und zwei in Reihe liegenden ⁴° Es ist nicht erforderlieh, daß die drei Halbleiter-

Halbleiterschaltelementen 3 und 4: Zum Steuerkreis schaltelemente 3 bis 5 den gleichen Widerstandswert

gehört das bereits erwähnte Halbleiterschaltelement 3, haben. So wäre es^beispielsweise denkbar, daß der

ein weiteres Halbleiterschaltelement 5 und ein die Gesamtwiderstand der "beiden Halbleiterschalt-

Steuerspannung abgebendes Steuergerät 6. Zwischen elemente 5 und 3 im hochohmigen Zustand größer ist

den drei Halbleiterschaltelementen ergibt sich dann" ⁴⁵ als der Gesamtwiderstand der Halbleiterschalt-

ein Sternpunkt 7. Es sei angenommen, daß alle Elek- elemente 5 und 4 sowie des Stromkreises und des

troden galvanisch, nut den Halbleiterschaltelementen Netzes. Dann würde der Steuerimpuls zunächst die

verbunden seien, mit Ausnahme der Elektrode 8 am. Hälbleiterschältelemente 4 und 5 in den niedef-

Halbleiterschaltelemen.t:;5, die kapazitiv anliegt und'- ohmigen Zustand schalten, worauf das Halbleiter-"

dadurch zusätzlich eine Abtrennung des Steuer-- 5° schaltelement 3 als letztes schalten würde. In diesem gerätes 6 von der übrigen Schaltung bewirkt.' -; ■-: Fall müßte man das Halbleiterschaltelement 4 als das"

Die Schwellenwerte TJ₅ der drei Halbleiterschalt- für" Steuerkreis und Stromkreis gemeinsame Halbelemente sollen als gleieK angenommen sein. Ihr Wert leiterschaltelement ansehen.

sei Meinet als die Netzspannung U_n "und größer "als Angewendet auf Fig. 4 bedeutet dies, daß mögdie halbe Netzspannung U_m. Wenn dann vom 55 licherweise zunächst ein Srrompfad\zwischen den Steuergerät 6 em ,Spannungsimpuls an die Festkörper- beiden Elektrodenabschnitten 15 a und 15 b gelegt schalter 3 und 5 gelegt'wkd, der größer istVals 2EZ₅, wird, von dem dann der Strompfad, zur Platte 13 so schalten beide Halbleiterschaltelemente in den ■ abzweigt. Daraus erhellt auch, daß' man von vornmederohrmgen' Züstandi) Infolgedessen liegt die ge- herein das" Steuergerät 6 an die beiden Elektroden' samte Netzspannung :äm. Halbleiterschaltelement 4, 60 15 α und 15b anschließen kann,
das dann auch in den nieüerohmigen Zustand um- · ■ Abweichungen von den veranschaulichten Aus-, schaltet. Alsdann kann ein Belastungsstrom bis zum führungsbeispielen können in vielerlei Richtung yor-Ende der Halbwelle fließen; wenn der Strom etwa den' genommen werden, ohne daß der Grundgedanke der Nullwert erreicht,"'Schalten die Halbleiterschalt- Erfindung verlassen wird. Beispielsweise eignet sich elemente 3 und 4 in den hochohmigen Zustand zu- 65 der Schalter auch zum Einschalten einer Gleichstromrück. Das Halbleiterschaltelement 5 hatte bereits den belastung. Das Steuergerät braucht keine Impulse' ursprünglichen Zustand . wieder eingenommen, als abzugeben, sondern kann irgendeine andere Steuerder Steuerimpuls beendet war. Wenn das Steuergerät spannung, "z.B. eine gegenüber ■ der Netzspannung

phasenverschobene Wechselspannung erzeugen. Der Verbraucher 2 kann eine beliebige Impedanz haben, vor allen Dingen auch kapazitiv oder induktiv sein. Mit Vorteil kann der Eingang des Steuergeräts an das Netz angekuppelt sein, um die richtige Phasenlage der Steuerimpulse zur Netzwechselspannung sicherzustellen. .

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß drei Halbleiterschaltelemente, die beim Überschreiten eines Schwellenwerts einer angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand schalten, in einem Sternpunkt verbunden sind und daß an der freien Elektrode des ersten Halbleiterschaltelements gemeinsam der eine Pol des zu schaltenden Stromkreises und der eine Pol eines eine Steuerspannung abgebenden Steuergeräts, an der freien Elektrode des zweiten Halbleiterschaltelements der andere Pol des zu schaltenden Stromkreises und an der freien Elektrode des

20 dritten Halbleiterschaltelements der andere Pol des Steuergeräts angeschlossen ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente sperrschichtfreie polykristalline Körper sind.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltelemente überwiegend Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des Periodischen Systems aufweisen.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Halbleiterschaltelemente zu einem gemeinsamen Element verbunden sind.

5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Halbleiterschaltelemente als Schicht auf eine leitende Platte aufgetragen sind.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Halbleiterschalterschicht eine Elektrodenschicht aufgetragen und durch eine Trennfuge in zwei getrennte Abschnitte geteilt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen