DE2427736C3

DE2427736C3 - Integrated circuit for switching AC consumers on and off

Info

Publication number: DE2427736C3
Application number: DE19742427736
Authority: DE
Inventors: Hans DipL-Ing. 7803 Gundelfingen; Achtstätter Gerhard 7800 Freiburg Keller
Original assignee: Deutsche Itt Industrie Gmbh, 7800 Freiburg
Filing date: 1974-06-08
Publication date: 1976-12-30

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Schaffung einer bipolaren monolithisch integrierten Schaltung zum auf ein Steuersignal hin erfolgenden Ein- und Ausschalten eines mit Wechselstrom gespeisten Verbrauchers, die aus einer Steuerstufe und einer Schaltstufe besteht, die für beide Stromrichtungen weitgehend gleiches Durchlaß- bzw. Sperrverhalten aufweist und zusammen mit der Steuerstufe auf demselben Halbleiter-Substrat angeordnet ist.
Bei der Schaffung einer solchen integrierten Schaltung, die z. B. in Haushaltsgeräten oder Installationsanlagen, in denen Netzströme mittels Triacs geschaltet werden sollen, als elektronischer Schalter im als Wechselstromverbraucher anzusehenden Triggerkreis des Triacs vorgesehen sind, tritt folgende Problematik auf: Bekanntlich muß bei monolithisch integrierten Schaltungen das Substrat immer mit dem negativsten auftretenden Potential verbunden sein. Die Forderung, eine monolithisch integrierte Schal tung auch an Wechselstrom betreiben zu können, schränkt auf Grund dieser Tatsache die Möglichkeiten des Schaltungsentwurfs sehr stark ein.The invention is concerned with the creation of a bipolar monolithic integrated circuit for switching on and off a load supplied with alternating current in response to a control signal, which consists of a control stage and a switching stage which has largely the same conduction or blocking behavior for both current directions and is arranged together with the control stage on the same semiconductor substrate.
In creating such an integrated circuit, e.g. B. in household appliances or installation systems in which mains currents are to be switched by means of triacs, are provided as an electronic switch in the trigger circuit of the triac, which is to be regarded as an alternating current consumer, the following problem arises: It is known that in monolithic integrated circuits, the substrate must always be connected to the most negative potential that occurs . The requirement to be able to operate a monolithically integrated circuit also on alternating current, due to this fact, severely restricts the possibilities of circuit design.

Man kann dieses Problem zwar dadurch lösen bzw. umgehen, daß man in einer integrierten Schaltung, die einen an Gleichspannung betriebenen Teil mit am negativsten Potential angeschlossenem Substrat und einen an Wechselspannung betriebenen Teil aufweist, die beiden Teilschaltungen auf getrennten und voneinander elektrisch isolierten Halbleiterkristallen realisiert. You can solve this problem or bypass that in an integrated circuit that a DC voltage operated part with the most negative potential connected substrate and a has part operated on AC voltage, the two subcircuits on separate and from each other electrically isolated semiconductor crystals realized.

Die Erfindung hat sich jedoch die Aufgabe gestellt, diese Aufteilung in zwei Halbleiterkristalle zu vermeiden. Dies erfordert einen derartigen Schaltungsentwurf der an Wechselspannung betriebenen Teilschaltung, daß normalerweise in Sperrichtung gepolte und der Isolierung dienende pn-Übeigänge zwischen nleitenden Halbleiterzonen und dem p-leitenden Substrat in Flußrichtung gepolt werden können, ohne daß dadurch die Schaltungsfunktion gestört wird.
Das aufgezeigte Problem und die gestellte Aufgabe werden von der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.However, the invention has set itself the task of avoiding this division into two semiconductor crystals. This requires such a circuit design of the alternating voltage operated subcircuit that normally reverse-biased pn-bypasses between n-conducting semiconductor zones and the p-conducting substrate can be polarized in the forward direction without disrupting the circuit function.
The problem identified and the object set are achieved by the invention specified in claim 1. Advantageous further developments and refinements of the invention are characterized in the subclaims.

Die Erfindung wird nun an Hand von in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will now be described in greater detail on the basis of the exemplary embodiments shown in the figures of the drawing explained.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen monolithisch integrierten Schaltung und Fig. 1 shows a first embodiment of the monolithic integrated circuit according to the invention and

Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 für die Verwendung bei höheren Wechselspannungen.FIG. 2 shows a further development of the exemplary embodiment according to FIG. 1 for use in higher Alternating voltages.

In Fig. 1 ist innerhalb des gestrichelt gezeichneten Rechtecks die bipolare monolithisch integrierte Schaltung nach der Erfindung angegeben. Sie besteht aus der Steuerstufe SS, die lediglich als schaltungstechnisch nicht näher aufgeschlüsselter Block angege-In Fig. 1, the bipolar monolithic integrated circuit according to the invention is indicated within the dashed-line rectangle. It consists of the control stage SS, which is only indicated as a block that is not broken down in any more detail in terms of circuitry.

ben ist, da im Rahmen der Erfindung hierfür jede denkbare elektronische Schaltung verwendet werden kann, beispielsweise ein Schmitt-Trigger oder ein Flipflop, die auf Grund des am Eingang E anliegenden Eingangssignals am Ausgang Spannungsniveaus abgibt, die die nachgeschalteten pnp-Transistoren 73, 74 als Schalter zu betreiben gestatten. Die Steuerschaltung SS wird dabei von der positiven Hilfsgleichspannung U_B betrieben.ben is because within the scope of the invention any conceivable electronic circuit can be used for this, for example a Schmitt trigger or a flip-flop, which emits voltage levels at the output due to the input signal present at input E , which the downstream pnp transistors 73, 74 as Allow switch to operate. The control circuit SS is operated by the positive auxiliary DC voltage U _B.

Die Schaltstufe ist in Fig. 1 detaillierter als die Steuerstufe SS gezeigt. Sie besteht aus zwei mit entgegengesetzter Polarität einander parallelgeschalteten Thyristoren Thp, Thn, die sich ihrerseits in bekannter Weise aus je zwei komplementären Transistoren zusammensetzen. So besteht der Thyristor Thp aus dem pnp-Transistor Tpp und dem npn-Transistor Tpn und der Thyristor Thn aus dem pnp-Transistor Tnp und dem npn-Transistor Tnn. Die beiden komplementären Transistoren jedes Thyristors sind so zusammengeschaltet, daß jeweils die Basis lies einen mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist.The switching stage is shown in more detail in FIG. 1 than the control stage SS . It consists of two thyristors Thp, Thn connected in parallel with opposite polarity, each of which is composed of two complementary transistors in a known manner. The thyristor Thp consists of the pnp transistor Tpp and the npn transistor Tpn and the thyristor Thn consists of the pnp transistor Tnp and the npn transistor Tnn. The two complementary transistors of each thyristor are connected together so that the base read one is connected to the collector of the other transistor.

Die Antiparallelschaltung der beiden Thyristoren Thp, Thn hat zur Folge, daß die Emitter der Transistoren Tpn, Tnp miteinander verbunden sind, ebenso wie die Emitter der Transistoren Tpp, Tnn. Der Thyristor Thp ist bei positiver Spannung am Verbraucher R_L leitfähig, während der Thyristor Thn bei negativer Spannung am Verbraucher leitfähig ist, d.h., bei das Zünden der Thyristoren ermöglichendem Potential an den Steueranschlüssen 1, 2 führt der Thyristor Thp während der positiven Halbwelle der Wechselspannung u und der Thyristor Thn während deren negativer Halbwelle Strom. Als Steueranschluß 1 dient beim Thyristor Thp der Verbindungspunkt zwischen Basis des npn-Transistors Tpn und Kollektor des pnp-Transistors Tpp, während beim Thyristor Thn als Steueranschluß 2 der Verbindungspunkt zwischen Basis des pnp-Transistors Tnp und Kollektor des npn-Transistors Tun dient.The antiparallel connection of the two thyristors Thp, Thn has the consequence that the emitters of the transistors Tpn, Tnp are connected to one another, as are the emitters of the transistors Tpp, Tnn. The thyristor Thp is conductive when there is a positive voltage at the consumer R _L , while the thyristor Thn is conductive when the voltage at the consumer is negative, i.e. when the potential at the control terminals 1, 2 enables the thyristors to be triggered, the thyristor Thp conducts during the positive half-cycle of the alternating voltage u and the thyristor Thn current during their negative half-wave. In the thyristor Thp, the connection point between the base of the npn transistor Tpn and the collector of the pnp transistor Tpp is used as the control terminal 1, while in the thyristor Thn the connection point between the base of the pnp transistor Tnp and the collector of the npn transistor Tun is used as the control terminal 2.

Die beiden Thyristoren Thp, Thn werden auf folgende Weise angesteuert. Der Basis-Emitter-Strecke des npn-Transistors Tpn ist die Kollektor-Emitter-Strecke des ersten npn-Transistors Tl derart parallelgeschaltet, daß die beiden Emitter miteinander verbunden sind. Demgegenüber ist der Basis-Emitter-Strecke des pnp-Transistors Tnp des Thyristors Thn die Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten npn-Transistors Tl derart parallelgeschaltet, daß dessen Emitter mit der Basis des pnp-Transistors Tnp verbunden ist.The two thyristors Thp, Thn are controlled in the following way. The collector-emitter path of the first npn transistor Tl is connected in parallel to the base-emitter path of the npn transistor Tpn in such a way that the two emitters are connected to one another. In contrast, the base-emitter path of the pnp transistor Tnp of the thyristor Thn, the emitter-collector path of the second npn transistor Tl is connected in parallel so that its emitter is connected to the base of the pnp transistor Tnp .

Die Basis des ersten npn-Transistors 71 und die Basis des zweiten npn-Transistors TZ werden zum Sperren der Schaltstufe von aus der positiven Hilfsgleichspannung U_B abgeleiteten Strömen gesteuert, wobei die Basis jedes der beiden npn-Transistoren 71, Tl mit dem Kollektor des entsprechenden pnp-Transistors 73, Γ4 verbunden ist, dereii Basen miteinander und deren Emitter miteinander verbunden am Ausgang der Steuerstufe SS angeschlossen sind.The base of the first npn transistor 71 and the base of the second npn transistor TZ are controlled by currents derived from the positive auxiliary DC voltage U _B to block the switching stage, the base of each of the two npn transistors 71, Tl being connected to the collector of the corresponding PNP transistor 73, Γ4 is connected, whose bases are connected to one another and whose emitters are connected to one another at the output of the control stage SS .

Das Substrat 5 der bipolaren monolithisch integrierten Schaltung liegt am verbraucherabgewandten Anschluß der beiden antiparallelgeschalteten Thyristoren Thp, Thn, der mit dem einen Pol der Wechselspannung μ identisch ist.The substrate 5 of the bipolar monolithic integrated circuit lies at the connection facing away from the consumer of the two antiparallel-connected thyristors Thp, Thn, which is identical to one pole of the alternating voltage μ.

Dieser mit dem Substrat verbundene Anschluß der bipolaren monolithisch integrierten Schaltung nach der Erfindung ist bei deren Betrieb in einer elektronischen Helligkeitssteuerung oder in einem elektronischen Installationsschalter mit ßerührungskontakt, bei welcher Verwendungsart als Verbraucher der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung die Ansteuerschaltung für den im Hauptstromweg liegenden Leistungstriac dient, mit dem spannungsführenden Netzspannungspol identisch, da üblicherweise nur dieser über die Schalter- bzw. Installationsdose führt. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen bipolaren monolithisch integrierten Schaliung ist insbesondere darin zu sehen, daß diese für eine integrierte Schaltung ungewöhnliche Betriebsweise mit am Substrat liegendem spannungsführendem Netzpol ohne weiteres möglich ist.This connected to the substrate terminal of the bipolar monolithic integrated circuit according to the invention is in its operation in an electronic Brightness control or in an electronic installation switch with touch contact, in what type of use the control circuit as a consumer of the integrated circuit according to the invention is used for the power triac in the main current path, with the live one Mains voltage pole identical, since usually only this leads over the switch or installation box. One advantage of the bipolar monolithically integrated formwork according to the invention is in particular in seeing that this is for an integrated circuit Unusual mode of operation with a live mains pole on the substrate without further ado is possible.

DieWirkungsweisedesinFig. 1 gezeigten Ausfüh-The mode of action in Fig. 1 shown execution

¹S rungsbeispiels ist folgende. Zunächst sei angenommen, daß die Schaltstufe als geschlossener Schalter wirken soll, d.h., daß die Thyristoren Thp, Thn in beiden Wechselspannungshalbwellen Strom führen sollen. Die Steuerschaltung SS steuert für diesen Fall ¹ example is as follows. First of all, it is assumed that the switching stage should act as a closed switch, ie that the thyristors Thp, Thn should carry current in both AC voltage half-waves. The control circuit SS controls in this case

so die Transistoren 71, 72, 73, TA so, daß sie gesperrt sind. Steigt die Wechselspannung μ von null ausgehend zu positiven Werten an, so zündet der Thyristor Thp bei etwa 1,5 bis 2 V und sperrt, kurz bevor die postive Halbwelle ihren Nulldurchgang wieder erreicht. In diesem Betriebsfall ist das Substrat immer negativer als alle anderen Bauelemente der integrierten Schaltung.so the transistors 71, 72, 73, TA so that they are blocked. If the alternating voltage μ rises from zero to positive values, the thyristor Thp ignites at around 1.5 to 2 V and blocks shortly before the positive half-wave reaches its zero crossing again. In this operating case, the substrate is always more negative than all other components of the integrated circuit.

Bei von null aus negativer werdender Wechselspannung η, also während deren negativer Halbwelle, zündet der Thyristor Thn bei etwa -(1,5 bis 2)V und sperrt, kurz bevor die negative Halbwelle ihren Nulldurchgang wieder erreicht. In diesem Fall nehmen die Basis des Transistors Tnp und der Kollektor des Transistors Tnn gegenüber dem Substrat eine negative Spannung an, die etwa einer Transistor-Basis-Emitter-Schwellspannung entspricht, so daß vom Steueranschluß 2 zum Substrat S ein nichtstörender Strom abgeleitet wird.When the alternating voltage η becomes negative from zero, i.e. during its negative half-wave, the thyristor Thn ignites at around - (1.5 to 2) V and blocks shortly before the negative half-wave reaches its zero crossing again. In this case, the base of the transistor Tnp and the collector of the transistor Tnn take on a negative voltage with respect to the substrate, which corresponds approximately to a transistor base emitter threshold voltage, so that a non-interfering current is derived from the control terminal 2 to the substrate S.

Die beiden Thyristoren Thp, Thn bleiben gesperrt, wenn die Steuerstufe SS die Transistoren 71, 72, Ti, 74 leitend steuert. Dann zündet sowohl während der positiven als auch während der negativen Halbwelle keiner der beiden Thyristoren. Im Fall der negativen Halbwelle bei gesperrten Thyristoren tritt lediglich am Emitter der Transistoren Tnn und Tpp und am Kollektor des Transistors Tnp ein negatives Potential gegenüber dem Substrat auf, jedoch haben diese Transistorzonen keine Berührungsfläche mit dem Substrat, so daß dieses negative Potential ebenfalls nicht stört.The two thyristors Thp, Thn remain blocked when the control stage SS controls the transistors 71, 72, Ti, 74 to be conductive. Then neither of the two thyristors ignites during the positive as well as during the negative half-cycle. In the case of the negative half- cycle with blocked thyristors, a negative potential with respect to the substrate occurs only at the emitter of the transistors Tnn and Tpp and at the collector of the transistor Tnp , but these transistor zones have no contact surface with the substrate, so that this negative potential also does not interfere.

In Fig. 2 ist eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 gezeigt, mit dem es möglich ist, einen für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ungünstigen Betriebsfall zu beherrschen. Wird nämlich im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Amplitude der Wechselspannung u positiver als die durch die einzelnen Strukturen technologisch bedingte Gesamtsperrspannung, so gelangt die Schaltsiufe in den Durchbruch und kann ihre Punktion nicht mehr erfüllen. Daher muß das Überschreiten dieser Gesamtsperrspannung verhindert werden. Diese Gesamtsperrspannung setzt sich additiv aus der jeweiligen Basis-Emitter-Abbruchspannung der Transistoren Tnn und 72 sowie der jeweiligen Kollektor-Basis-Flußspannung der Transistoren Tnp und 72 zusammen. Die Gesamtsperrspannung beträgt bei Ausführung der integrierten Schaltung mittels der üblichen Planartechnik etwa 15 V.FIG. 2 shows a further development of the exemplary embodiment according to FIG. 1, with which it is possible to control an operating case that is unfavorable for the exemplary embodiment according to FIG. 1. If, in the exemplary embodiment according to FIG. 1, the amplitude of the alternating voltage u becomes more positive than the total blocking voltage technologically caused by the individual structures, the switching stage breaks through and can no longer fulfill its puncture. Therefore, this total reverse voltage must be prevented from being exceeded. This total blocking voltage is composed additively of the respective base-emitter breakdown voltage of the transistors Tnn and 72 and the respective collector-base forward voltage of the transistors Tnp and 72. When the integrated circuit is implemented using conventional planar technology, the total blocking voltage is around 15 V.

Für Wechselspannungsamplituden, die größer alsFor AC voltage amplitudes greater than

dieser Wert sind, wird daher im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 in die zum gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Emitter der Transistoren Tpp, Tnn führende Emitterleitung des Transistors Tnn eine hinsichtlich ihrer Sperrspannung entsprechend gewählte separate Diode D derart eingefügt, daß ihre Anode mit dem Emitter des Transistors Tnn verbunden ist. Als separate Diode wird eine von außen der integrierten Schaltung zuzuschaltende Diode verstanden, da es nicht möglich ist, diese Diode in die integrierte Schaltung miteinzubeziehen.This value is, therefore, FIG. 2 is a with respect to their blocking voltage appropriately chosen separate diode D is inserted in the leading to the common connection point of the two emitters of the transistors Tpp, Tnn emitter line of the transistor Tnn so in the exemplary embodiment in that its anode connected to the emitter of transistor Tnn is connected. A separate diode is understood to be a diode to be connected from the outside of the integrated circuit, since it is not possible to include this diode in the integrated circuit.

Zur Verbesserung des Zündverhaltens kann zwischen Basis und Emitter des ersten und zweiten npn-Transistors Tl, Tl jeweils ein hochohmiger Widerstand vorgesehen werden. Zum gleichen Zweck kann auch zwischen die Kollektoren der die Thyristoren bildenden komplementären Transistoren Tpp, Tpn bzw. Tnn, Tnp ein Widerstand und/oder ein Kondensator geschaltet werden. Für den Fall eines Kondensators kann dieser durch entsprechende Flächendimen-To improve the ignition behavior, a high-resistance resistor can be provided between the base and emitter of the first and second npn transistor T1, T1. For the same purpose, a resistor and / or a capacitor can also be connected between the collectors of the complementary transistors Tpp, Tpn or Tnn, Tnp which form the thyristors. In the case of a capacitor, this can be

o sionierung und/oder Dotierung der Kollektor-Basispn-Übergänge dieser Transistoren realisiert werden.o sioning and / or doping of the collector-base pn junctions of these transistors can be realized.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Bipolar monolithic integrated circuit for switching on and off a load fed with alternating current in response to a control signal, which consists of a control stage and a switching stage, which has largely the same transmission or blocking behavior for both directions of current and, together with the control stage, on the same Semiconductor crystal is arranged as a substrate, the switching stage consists of two thyristors connected in parallel with opposite polarity, each formed by two complementary transistors, characterized in that the base-emitter path of the npn transistor: (Tpn) of when there is a positive voltage at the consumer (R _L ) conductive thyristor (Thp) the collector-emitter path of a first npn transistor (Tl) is connected in parallel in such a way that the two emitters are connected to one another that the base-emitter path of the pnp transistor ( Tnp) of the negative voltage at the consumer conductive thyristor ( Thn) the Emitter-collector path of a second npn transistor ( Tl) is connected in parallel in such a way that its emitter is connected to the base of the pnp transistor, that the base of the first and the base of the second npn transistor to block the switching stage from one positive auxiliary DC voltage (U ₈ ) derived currents are controlled and that the substrate (S) of the monolithic integrated circuit is connected to the terminal facing away from the consumer of the parallel-connected thyristors.

2. Integrated circuit according to claim 1, characterized in that a separate diode (D) is inserted into the emitter branch of the npn transistor (Tnn) of the thyristor (Thn) which is conductive when there is negative voltage at the consumer, so that its anode is connected to the emitter of the Transistor is connected.

3. Integrated circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the base of the first (Tl) and the base of the second npn transistor (7 * 2) each at the collector of a first ( T3) or second pnp transistor ( 74) whose bases are connected to one another and whose emitters are connected to one another and whose common base-emitter voltage is influenced by the control signal via the control stage (SS) .

4. Integrated circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that a high-value resistor is inserted between the base and emitter of the first and second npn transistor (71, Tl).

5. Integrated circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that a resistor is inserted between the collectors of the complementary transistors (Tpp, Tpn; Tnn, Tnp) forming the thyristors (Thp, Thn).

6. Integrated circuit according to one of claims 1 to 5, characterized in that a capacitor is inserted between the collectors of the complementary transistors (Tpp, Tpn; Tnn, Tnp) forming the thyristors (Thp, Thn).

7. Integrated circuit according to claim 6, characterized in that the capacitor through corresponding surface dimensioning and / or Doping of the collector-base pn junctions is realized.