DE1562307B1

DE1562307B1 - Elektronischer Schalter

Info

Publication number: DE1562307B1
Application number: DE19641562307D
Authority: DE
Inventors: Arne Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1964-01-22
Filing date: 1964-01-22
Publication date: 1969-11-20
Also published as: NL6500610A; BE658627A; GB1093841A

Description

hierdurch hervorgerufenen Feldstärke. Die Erfindung io Charakteristik nacheinander von einem Arbeitspunkt betrifft die an zweiter Stelle genannte Möglichkeit, niedrigeren Widerstandes zu einem Arbeitspunkt wenngleich nicht ausgeschlossen sein soll, daß zu- höheren Widerstandes schalten. Bei dieser Schaltung sätzlich auch der Schwellwert der betrachteten werden alle Teile der Reihenschaltung von einem Schalterelemente geändert werden kann. gemeinsamen Signal beeinflußt und nicht jeder Teil

Geht man von einem vorgegebenen Schwellwert 15 der Reihenschaltung von einem getrennt von den aus, so muß die Lastkreisspannung unter diesem anderen Teilen zugeführten Signal. Außerdem schal-Schwellwert liegen, da sonst der Schalter dauernd im ten Tunneldioden beim Überschreiten eines Hügelniederohmigen Zustand bliebe. Legt man, um eine stromes von einem Zustand kleineren Widerstandes höhere Spannung zu erhalten, zu der Lastkreisspan- in einen Zustand höheren Widerstandes und flicht nung eine Steuerspannung in Reihe, so wirkt diese 20 beim Überschreiten eines Schwellwerts der Spannung erhöhte Spannung im gesamten Stromkreis und kann von einem Zustand höheren Widerstandes in einen unter Umständen Schaden stiften. Entnimmt man die Zustand geringeren Widerstandes. Steuerspannung dagegen von einer parallel zum Bei einem elektronischen Gleichstromschalter kön-

Halbleiter-Schaltelement liegenden Spannungsquelle, nen die Halbleiter-Schaltelemente aus an sich beso tritt ebenfalls eine hohe Spannungsbelastung des 25 kannten Vierschichtendioden bestehen. Ein elektro-Lastkreises auf. nischer Schalter für Gleich-und Wechselstrom ergibt

Da der Laststromkreis eine wesentüch geringere sich, wenn die Halbleiter-Schaltelemente aus an sich Impedanz aufweisen wird als das hochohmige Halb- bekannten Fünfschichtendioden bestehen. leiter-Schaltelement, kann der Steuerspannungs- Besonders interessant ist in diesem Zusammenimpuls auch über das Netz abwandern, ohne das 3<> hang die Anwendung von symmetrischen Halbleiter-Halbleiter-Schaltelement umzuschalten. Besonders Schaltelementen, die überwiegend aus Tellur mit groß werden die Schwierigkeiten, wenn der Last- Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des Stromkreis für eine kleine Speisespannimg ausgelegt Periodischen Systems bestehen. Es handelt sich hierist, der ein großer Isolationswiderstand, d. h. ein bei um Halbleiter-Schaltelemente, die hochbelastbar Schwellwert des Halbleiter-Schaltelements gegen- 35 und sehr leicht herstellbar sind. Außerdem läßt sieh überstehen soll. " bei ihnen der Schwellwert der Spannung durch Wahl

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen des Mischungsverhältnisses oder durch Wahl - def elektronischen Schalter der eingangs erwähnten Art Dicke des Elements entsprechend den Erfordernissen anzugeben, der mit Sicherheit vom hochohmigen in einstellen. Als Beispiel sei ein Halbleiter-Schaltden niederohmigen Zustand umgeschaltet werden 4° element genannt, das aus 67,5 % Tellur, 25 % Arsen kann, ohne daß eine störende Beeinflussung des Last- . 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 je zwei Halbleiter-Schaltelemente zu einem gemeinsamen Element mit einer Mittelelektrode vereinigt sein. Auf diese Weise ist das Anschließen der Reihenschaltung gegenüber derjenigen von einzelnen HaIb-

Reihenschaltung eine über dessen Schwellwert lie- 50 leiter-Schaltelementen erleichtert, gende Steuerspannung getrennt von der Steuerspan- Damit die Steuerspannung auch tatsächlich zum

nung der anderen Teile der Reihenschaltung, aber gleichen Zeitpunkt an allen Halbleiter-Schaltelemenvorzugsweise zur gleichen Zeit wie diese, anlegbar ist. ten wirksam ist, empfiehlt es sich, ein einziges Steuer-Die einzelnen Teile, der Reihenschaltung, die im signal mehreren parallelgeschalteten Transformatoeinfachsten Fall aus je einem Halbleiter-Sehalt- 55 ren zuzuführen, deren Sekundärwicklungen je einem element bestehen, werden also durch eine eigene Teil der Reihenschaltung: zugeordnet sind. Eine an-Steuerspannung je für sich geschaltet. Zum Um- dere Möglichkeit besteht darin, ein Steuersignal schalten jedes einzelnen Schaltelements genügt eine einem Transformator zuzuführen, der mehrere, je Spannung, die recht klein sein kann und im Last- einem Teil der Reihenschaltung zugeordnete Sekunstromkreis keinen Schaden zu stiften vermag. Wenn 6a därwicklungen besitzt.

alle Halbleiter-Schaltelemente gleichzeitig umschal- Bei einer Abwandlung des erfindungsgemäßen

ten, kann nicht einmal ein solcher kleiner Steuer- Schalters ist dafür gesorgt, däß zum Anlegen der spannungsimpuls durch den Laststromkreis wandern, Steuerspannung an jedes Halbleiter-Schaltelement in da jeder Impuls bei seinem Auftreten durch zumin- die Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltelemente dest noch ein weiteres Halbleiter-Schaltelement mit 65 zusätzlich Sekundärwicklungen einer Transformatorzunächst hochohmigem Zustand vom Laststromkreis anordnung derart einbezogen sind, daß jeweils eine getrennt ist. Durch die Verwendung mehrerer hinter- Sekundärwicklung mit einem Halbleiter-Schaltelement einandergeschalteter Halbleiter-Schaltelemente kann unmittelbar in Reihe liegt (F i g. 4).

Stromkreises durch die Steuerspannung erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbleiter-Schaltelement mit mindestens einem weiteren, gleichartigen Halbleiter- 45 Schaltelement eine zwei- oder mehrteilige Reihenschaltung bildet, bei der die Summe der Schwellwerte aller Halbleiter-Schaltelemente größer ist als die Lastkreisspannung, und daß an jeden Teil der

Claims

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand in der gegeben wird, werden alle Halbleiter-Schaltelemente Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele naher gleichzeitig von einem über dem Schwellwert liegenerläutert. Es zeigt den Steuerspannungsimpuls bzw. Feldstärkenimpuls

F i g. 1 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm getroffen, schalten in den niederohmigen Zustand um

für ein erfindungsgemäß verwendbares Halbleiter- 5 und machen den Laststromkreis leitend. Da es sich

Schaltelement, . um einen Wechselstromkreis handelt, schalten die

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfin- Halbleiter-Schaltelemente wieder in den hochohmi-

dungsgemäßen Schalters, gen Zustand zurück, kurz bevor der Strom durch

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfin- . Null geht. Der Steuerspannungsimpuls muß also

dungsgemäßen Schalters und io periodisch gegeben werden. Bei einem Gleichstrom-

F i g. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfin- kreis dagegen bliebe der leitende Zustand der Halbdungsgemäßen Schalters. leiter-Schaltelemente erhalten, bis der Gleichstrom

In dem Diagramm der F i g. 1 ist der Strom / auf andere Weise unterbrochen wird, eines symmetrischen Halbleiter-Schaltelements über Die Steuerspannung kann die verschiedensten Forder angelegten Spannung U aufgetragen. Unterhalb 15 men haben, beispielsweise die Form von Impulsen, des Schwellwerts +U_s ist der Strom nahezu Null, Rechteckwellen, Sinuswellen und auch einer Gleichda der Schalter seinen hochohmigen Zustand ein- spannung. Der Triggergenerator selbst kann einen genommen hat, bei dem sein Widerstand bis zu bekannten Aufbau besitzen; es kann sich um eine mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sobald Fremdsteuerung handeln oder um eine mit dem Lastjedoch der Schwellwert U_s überschritten ist, springt 20 Stromkreis gekoppelte Steuerung, die Steuerspannung das Halbleiter-Schaltelement in seinen niederohmi- kann im Triggergenerator selbst erzeugt werden oder gen Zustand (Kurve II) um, bei dem es einen Wider- dort von einem Verstärkerausgang, einer Impedanz, stand von 1 Ohm oder weniger hat. Der durch den einer Selbstinduktion od. dgl. abgenommen werden. Schalter hindurchtretende Strom / ist daher von den In F i g. 3 entspricht die Anordnung der Wechselübrigen Komponenten des Stromkreises festgelegt. 25 stromquelle 1, des Lastwiderstandes 2 und der HaIb-Den niederohmigen Zustand behält der Schalter bei, leiter-Schaltelemente3 bis 6 derjenigen der Fig. 1. bis der hindurchfließende Strom einen Haltewert I_n Der Triggergenerator 18 speist die Primärwicklung unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Null- 19 eines einzigen Transformators. Dessen Sekundärpunktes liegen kann. Beim Unterschreiten von I_n wicklungen 20 bis 23 sind je einem Halbleiter-Schaltschaltet das Halbleiter-Schaltelement in den hoch- 30 element 3 bis 6 zugeordnet, und zwar führt der ohmigen Zustand zurück. Sekundärkreis über je eine direkt anliegende Hilfs-

Dieses Verhalten haben auch beispielsweise Fünf- elektrode 24 und das Halbleiter-Schaltelement zurück

schichtendioden oder — in mehr oder weniger aus- zur Sekundärwicklung. Wird vom Triggergenerator

geprägtem Maße — Mehrschichtendioden mit un- 18 ein Steuersignal abgegeben, tritt gleichzeitig in

gerader Schichtzahl. Die bisher besten Ergebnisse 35 allen vier Sekundärkreisen eine Steuerspannung auf

zeigten aber nicht Mehrschichtendioden, sondern und schaltet dementsprechend gleichzeitig alle vier

Halbleiter-Schaltelemente, die im wesentlichen aus Halbleiter-Schaltelemente 3 bis 6 in den niederohmi-

Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV gen Zustand um. Grundsätzlich können hierbei die

und V des Periodischen Systems bestehen. Wenn es Steuerspannungen auch von verschiedenen Größen nur auf den Gleichstrombetrieb ankommt, genügt es, 40 abhängig sein, wenn sichergestellt ist, daß sie zum

wenn das geschilderte Verhalten im ersten Quadran- gleichen Zeitpunkt auftreten.

ten vorhanden ist: in solchen Fällen sind auch Vier- Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 speist

schichtendioden und andere Mehrschichtendioden der Triggergenerator 25 die hintereinandergeschalte-

mit geradzahliger Schichtzahl brauchbar. ten Primärwicklungen 26 bis 29 von vier Transfor-

Der Laststromkreis der F i g. 2 besteht aus einer 45 matoren, deren Sekundärwicklungen 30 bis 33 jeweils

Wechselstromquelle 1, einem Verbraucher in Form unmittelbar mit den ihnen zugeordneten Halbleiter-

eines Lastwiderstandes 2 und einem elektronischen Schaltelementen 3 bis 6 in Reihe liegen. Der Sekun-

Schalter, der durch die Reihenschaltung der Halb- därkreis wird jeweils durch einen Kondensator 34

leiter-Schaltelemente 3, 4, 5, 6 gebildet ist. Die Span- bis 37 vervollständigt. Diese Kondensatoren wirken

nung der Quelle 1 sei so gering, daß sie unter dem 50 einerseits als Trennkondensatoren, damit die Sekun-

Schwellwert jedes einzelnen Halbleiter-Schaltele- därkreise den Laststromkreis nicht kurzschließen,

ments 3 bis 6 und erst recht unter der Summe der und können außerdem mit der zugehörigen Spule

Schwellwerte dieser Schaltelemente Hegt. Demzufolge einen Resonanzkreis bilden, der den zum Schalten

ist der Laststromkreis praktisch unterbrochen. An erforderlichen Steuerspannungsimpuls verstärkt,

einem Triggergenerator 7 sind die Primärwicklun- 55 Die Verbraucher können auch beliebige Impedan-

gen8 bis 11 von vier Transformatoren in Parallel- zen besitzen, vor allen Dingen auch kapazitiv oder

schaltung angeschlossen, deren Sekundärwicklungen induktiv sein. Der Triggergenerator ist zweckmäßiger-

12 bis 15 je einem der Halbleiter-Schaltelemente 3 weise mit dem Laststromkreis gekoppelt, falls die

bis 6 zugeordnet sind. Der Sekundärstromkreis jedes Steuersignale in einer bestimmten Phasenbeziehung

Transformators führt über eine Hilfselektrode 16 60 zu der speisenden Wechselspannung stehen sollen,

durch das Halbleiter-Schaltelement und zurück zur .

Sekundärwicklung. Jedes Halbleiter-Schaltelement ist Patentansprüche:

als Schicht auf einer Metallplatte 17 ausgebildet. 1. Elektronischer Schalter unter Anwendung

Demzufolge durchsetzt die Steuerspannung jedes eines zweipoligen Halbleiter-Schaltelements, das

Halbleiter-Schaltelement zunächst von der Hilfs- 65 beim Überschreiten eines Schwellwerts einer an-

elektrode 16 zur Platte 17 und von dort zu dem gelegten Steuerspannung vom hochohmigen in

gegenüberliegenden Anschluß. den niederohmigen Zustand schaltet, dadurch

Sobald vom Triggergenerator 7 ein Steuersignal ab- gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Schalt-

element mit mindestens einem weiteren, gleichartigen Halbleiter-Schaltelement eine zwei- oder mehrteilige Reihenschaltung bildet, bei der die Summe der Schwellwerte aller Halbleiter-Schaltelemente größer ist als die Lastkreisspannung, und daß an jeden Teil der Reihenschaltung eine über dessen Schwellwert liegende Steuerspannung getrennt von der Steuerspannung der anderen Teile der Reihenschaltung, aber vorzugsweise zur gleichen Zeit wie diese, anlegbar ist.
2. Schalter nach Anspruch 1 für Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltelemente aus Vierschichtendioden bestehen.
3. Schalter nach Anspruch 1 für Gleich- und Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Schaltelemente aus Fünfschichtendioden bestehen.
4. Schalter nach Anspruch 1 für Gleich- oder Wechselstrom, gekennzeichnet durch die Verwendung von symmetrischen Halbleiter-Schaltelementen, die überwiegend aus Tellur mit Zusätzen aus Elementen der Gruppen IV und V des Periodischen Systems bestehen.
5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Halbleiter-Schaltelemente zu einem gemeinsamen Element mit einer Mittelelektrode vereinigt sind.
6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Steuersignal mehreren parallelgeschalteten Transformatoren zugeführt wird, deren Sekundärwicklungen je einem Teil der Reihenschaltung zugeordnet sind (Fig. 2).
7. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuersignal einem Transformator zugeführt wird, der mehrere, je einem Teil der Reihenschaltung zugeordnete Sekundärwicklungen besitzt (Fig. 3).
8. Abwandlung des Schalters nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der Steuerspannung an jedes Halbleiter-Schaltelement in die Reihenschaltung der Halbleiter-Schaltelemente zusätzlich Sekundärwicklungen einer Transfofmatoranordnung derart einbezogen sind, daß jeweils eine Sekundärwicklung mit einem Halbleiter-Schaltelement unmittelbar in Reihe liegt (Fig. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen