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Elektronischer Schalter Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Schalter. Die Erfindung besteht darin, daß eine Reihenschaltung von zwei oder mehr
zweipoligen Halbleiterschaltelementen vorgesehen ist, die beim überschreiten eines
Schwellenwertes einer angelegten Spannung vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand
schalten, daß eine das Schalten bewirkende Steuerspannung jeweils an nur ein Halbleiterschaltelement
oder einen Teil der Reihenschaltung anlegbar ist und daß die Spannung des Lastkreises,
in dem die Reihenschaltung liegt, derart bemessen ist, daß sie ausreicht, um den
nicht fremdgesteuerten Rest der Reihenschaltung vom hochohmigen in den niederohmigen
Zustand zu schalten.
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Halbleiterschaltelemente der erwähnten Art lassen sich auf zweierlei
Weise steuern, entweder durch eine Veränderung des Schwellenwerts oder durch eine
Veränderung der angelegten Steuerspannung oder -feldstarke. Die Erfindung betrifft
die an zweiter Stelle genannte Möglichkeit, wenngleich nicht ausgeschlossen. sein
soll, daß zusätzlich auch der Schwellenwert der betrachteten Halbleiterschaltelemente
geändert werden kann.
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Geht man von einem vorgegebenen Schwellenwert aus; so muß die Lastkreisspannung
unter diesem Schwellenwert liegen, da sonst der Schalter dauernd im niederohmigen
Zustand bliebe. Legt man, um eine höhere Spannung zu erhalten, zu der Lastkreisspannung
eine Steuerspannung in Reihe, so wirkt diese erhöhte Spannung im gesamten Lastkreis
und kann unter Umständen Schaden stiften. Außerdem 1'äßt sie sich nur über einen
Transformator zuführen. Entnimmt man dagegen den Steuerimpuls von einer parallel
zum Halbleiterschaltelement liegenden Spannungsquelle, so läuft dieser Impuls eher
durch den gesamten Lastkreis einschließlich der Lastkreisspannungsquelle als durch
das Halbleiterschaltelement, da letzteres wesentlich hochohmiger ist als der gesamte
übrige Lastkreis.
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Diese Nachteile treten beim erfindungsgemäß aufgebauten Schalter nicht
auf. Die in Reihe geschalteten Halbleiterschaltelemente werden nacheinander geschaltet.
Zum Umschalten des einen Elements genügt eine Spannung, die kleiner sein kann als
die Lastkreisspannung. Ein an dieses Element angelegter Steuerimpuls hat keine Neigung,
über den übrigen Lastkreis abzuwandern; da in dessen Bahn zumindest noch ein zweites
Halbleiterschaltelement im hochohmigen Zustand liegt. Wenn aber das erste Halbleiterschaltelement
durch die relativ geringe @Steuerspannurig in den niederöhmigen Zustand, umgeschaltet
ist, liegt die gesamte Lastkieisspanung an dem zweiten Halbleiterschaltelement,
so daß auch dessen Schwellenwert überschritten wird und dieses in den niederohmigen
Zustand umschaltet. Entsprechendes gilt für eine Reihenschaltung von mehr als zwei
Halbleiterschaltelementen.
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Geht man davon aus, daß alle Halbleiterschaltelemente in der Reihe
einen fest vorgegebenen Schwellenwert besitzen, so sollte die Spannung des Lastkreises
größer sein als die Summe der Schwellenwerte der nicht von der Steuerspannung beeinflußten
HalblciterschaItelernente, aber kleiner als die Summe der Schwellenwerte aller Halbleiterschaltelemente.
Dann ist sichergestellt, daß beim Umschalten der gesteuerten Strecke eine genügend
große Spannung an die nicht gesteuerte Strecke gelegt wird, um auch diese umzuschalten.
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Von dieser Bedingung kann man jedoch absehen, wenn noch ein zweites
Halbleiterschaltelement oder ein zweiter Teil der Reihenschaltung durch einen eigenen,
von dem weiter oben behandelten ersten Steuerimpuls unabhängigen Steuerbefehl umgeschaltet
werden kann und das Umschalten des Rests der Reihe erst beim Vorhandensein mehrerer
dieser Steuerbefehle an verschiedenen Gliedern der Reihenschaltung erfolgen soll.
Dieser zweite Steuerbefehl kann beispielsweise auch durch eine Erniedrigung der
Schwellenspannung eines zweiten Halbleiterschaltelements gegeben werden. Wesentlich
ist,, daß zunächst nur eine Strecke des ,Gesamtschalters umgeschaltet und dadurch
das Umschalten der Reststrecke des Schalters vorbereitet wird.
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Bei einem elektrischen Gleichstromschalter können die Halbleiterschaltelemente
aus an sich bekannten Vierschichtdioden bestehen. Ein elektrischer Schalter für
Gleich- und Wechselstrom ergibt sich,, wenn die Halbleiterschaltelemente aus an'
sich bekannten Fünfschichtdioden bestehen.
Besonders interressant
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, elektrisch absolut symmetrische
Halbleiterschaltelemente, 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"/o Arsen und 7,51/o Germanium erzeugt ist. Die
Herstellung kann durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sintern, durch Erstarrenlassen
einer Legierungsschmelze od. dgl. erfolgen.
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Da die Steuerspannung kleiner sein kann als die Lastkreisspannung,
ist es möglich, die Lastkreisspannung zum Steuern heranzuziehen. Dies geschieht
zweckmäßigerweise dadurch, daß die Steuerspannung an einem durch 'die Lastkreisspanung
gespeisten Spannungsteiler abgegriffen wird, von dem mindestens ein Teil einen veränderlichen
Widerstand besitzt. Insbesondere kann ein fester und ein veränderlicher Widerstand
in Reihe und parallel zu den Halbleiterschaltelementen liegen, und die Verbindungspunkte
beider Reihenschaltungen können miteinander verbunden sein. Als veränderlichen Widerstand
kann man einen Fotowiderstand, einen temperaturabhängigen Widerstand, einen druckempfindlichen
Widerstand, einen verstellbaren Regelwiderstand, einen Sehalter u. dgl. wählen.
In manchen Fällen kann auch -das. zuerst umzuschaltende Halbleiterschaltelement
einen Teil des Spannungsteilers bilden.
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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 den erfindungsgemäßen Schalter mit Fremdsteuerung
in einem Wechselstromkreis und F i g.. 3 den erfindungsgemäßen elektronischen Schalter
in einem Gleichstromkreis mit von der Speisespannung abgeleiteter Steuerspanung.
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In dem Diagramm der F i g. 1 ist der Strom 1 eines symmetrischen Halbleiterschaltelements
über der Spannung U aufgetragen. Unterhalb der Schwellenspannung ± US ist der Strom
nahezu Null, da das Element seinen hochohmigen Zustand eingenommen hat, bei dem
sein Widerstand bis zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sobald jedoch die
Schwellenspannung US überschritten ist, springt das Halbleiterschaltelement in seinen
niederohmigen Zustand (Kurve II) -um,- bei dem es einen Widerstand von 1 Ohm oderweniger
hat. Der durch den Schalter hindurchtretende Strom 1 ist daher von den übrigen Komponenten
des Lastkreises festgelegt. Den niederohmigen. Zustand behält das Element bei.,
bis der hindurchfließende Strom einen Haltwert IH unterschreitet, der ziemlich in
der Nähe des Nullpunktes liegen kann. Beim Unterschreiten von IH schaltet das Halbleiterschaltelement.
in den hochohmigen Zustand zurück.
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Dieses Verhalten haben beispielsweise Fünfschichtdioden oder =° in
mehr-oder weniger ausgeprägtem Maße - Mehrschichtdioden mit: ungerader -Schichtzahl.
Die bisher besten Ergebnisse zeigten aber nicht Mehrschichtdioden, sondern sperrschichtfreie
Halbleiterschaltelemente, die im wesentlichen aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen
der Gruppen IV und V des Periodischen Systems bestehen. Wenn es nur auf den Gleichstrombetrieb
ankommt, genügt es, wenn das geschilderte Verhalten im ersten Quadranten vorhanden
ist; in solchen Fällen sind auch Vierschichtdioden und andere Mehrschichtdioden
mit geradzahliger Schichtzahl brauchbar.
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Der Lastkreis in F i g. 2 besteht aus einem Wechselstromgenerator
1, einem Verbraucher in Form eines Lastwiderstandes 2 und einem elektronischen Schalter,
der durch die Reihenschaltung zweier symmetrischer Halbleiterschaltelemente 3 und
4 gebildet ist. Der Generator 1 erzeuge die Spannung UG. Dann liegt an beiden Halbleiterschaltelementen
3 und 4 je die Spannung UG/2. Diese Spannung. sei. kleiner als die Schwellenspannung
US. Demzufolge ist der Lastkreis praktisch unterbrochen. An das Halbleiterschaltelement
3 kann von einem Triggergenerator 5 her eine Steuerspannung angelegt werden, die
größer ist als die Schwellenspannung US des Elements 3. Dann schaltet das Halbleiterschaltelement
3 in den niederohmigen Zustand um. Infolgedessen liegt die volle Gencratorspannung
UG am Halbleiterschaltelement.4. Da UG größer ist. als US, schaltet auch das Halbleiterschaltelement
4 um, und es fließt der Laststrom über den Verbraucherwiderstand 2.
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Um den Lastkreis und den Triggerstromkreis voneinander zu trennen,
ist ein Kondensator 6 vorgesehen. Die Steuerspannung kann die verschiedensten Formen
haben, beispielsweise die Form von Impulsen, Rechteckwellen, Sinuswellen und beim
Wegfall des Kondensators 6 auch einer Gleichspannung, Der Triggergenerator selbst
kann einen beliebigen Aufbau besitzen, es kann sich um eine Fremdsteuerung handeln
oder um eine irgendwie mit dem Lastkreis -gekoppelte Steuerung, die Steuerspannung
kann im Triggergenerator selbst erzeugt werden oder dort von einem Verstärkerausgang,
einer Impedanz, einer Selbstinduktion od. dgl. abgenommen werden.
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In F i g. 3 , wird der Lastkreis von einem Gleichspannungsgenerator
7 gespeist. Wiederum sind ein Verbraucherwiderstand 8 und zwei in Reihe geschaltete
Halbleiterschaltelemente 9 und 10 vorgesehen: Zur Steuerung ist ein Spannungsteiler
parallel zu diesen beiden Elementen gelegt, der aus einem veränderlichen Widerstand
11 und einem festen Widerstand 12 besteht. Die Verbindungsstelle 13 zwischen diesen
beiden Widerständen-ist mit der Verbindungsstelle 14 zwischen den beiden Halbleiterschaltelementen
9 und 10 über einen Schutzwiderstand 15 verbunden. Zwei überbrückungskondensatoren
16 und 17 schützen vor überspannungen.
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Es sei wiederum angenommen, daß die Generatorspannung UG nicht ausreicht,
um die beiden Elemente 9 und 10 umzuschalten. Im Ruhezustand sei der Widerstandswert
der beiden Elemente 11 und 12 etwa gleich groß: Wenn nun der veränderliche Widerstand
11 im Sinne einer Widerstandserniedrigung verstellt wird, ändert sich das Potential
des Verbindungspunktes 13- dergestalt; daß am Widerstand 12 ein höherer Spannungsabfall
auftritt. Dieser höhere Spannungsabfall wirkt auch über das Halbleiter-. schaltelement
10. Sobald dieser- Spannungsabfall den Schwellenwert US überschreitet, schaltet
das. ITglb:-leiterschaltelemerit 1Q um. - Dann- ,liegt, die gesgmts
Generatorspannung
UG am Halbleiterschaltelement 9, so daß auch dieses umgeschaltet wird.
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Genau das gleiche Resultat ergibt sich, wenn der veränderliche Widerstand
11 im Sinne einer Widerstandserhöhung verstellt wird. Dann ist nämlich der Spannungsabfall
an diesem Widerstand 11 bald so groß, daß das Halbleiterschaltelement 9 umschalten
kann, was dann die Umschaltung des Halbleiterschaltelementes 10 nach sich zieht.
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Wie der Widerstand 11 verändert wird, ist für die Funktion unerheblich.
Es kann ein PTC-Widerstand, NTC-Widerstand, ein Fotowiderstand, ein druckempfindlicher
Widerstand, ein Regelwiderstand oder auch ein einfacher Schalter sein. In jedem
Fall ergibt sich eine typische Relaisfunktion, bei der der Lastkreis nach überschreiten
eines bestimmten Wertes des Widerstandes 11 eingeschaltet wird.
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Ein Spannungsteiler entsprechend den Widerständen 11 und 12 kann auch
zwei veränderliche Widerstände aufweisen. Man kann beispielsweise den einen als
Einstellwiderstand benutzen und den anderen als Fühler für Licht, Wärme, Druck od.
dgl. Man kann auch das Abschalten beschleunigen, wenn die beiden Widerstände in
entgegengesetzter Richtung beeinflußbar sind, beispielsweise bei Verwendung eines
PTC-und eines NTC-Widerstandes.
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Abweichungen von den veranschaulichten Ausführungsbeispielen können
in vielerlei Richtung vorgenommen werden, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung
verlassen wird. Beispielsweise kann es sich bei den Generatoren 1, 7 und
18 um ganz normale Spannungsquellen handeln. Die Verbraucher können beliebige
Impedanzen besitzen, vor allen Dingen auch kapazitiv oder induktiv sein. Wenn in
dem steuernden Spannungsteiler eine gewisse Verzögerung wirksam ist, beispielsweise
mit Hilfe eines Phasenschiebers, kann man bestimmte Teile des im Lastkreis fließenden
Stromes hindurchlassen, andere dagegen nicht. Nicht zuletzt sei erwähnt, daß man
die zum Umschalten des ersten Halbleiterschaltelementes benötigte Feldstärke nicht
nur durch ein direktes Anlegen der Spannung, sondern auch durch ein kapazitives
Anlegen dieser Spannung ereichen kann.