DE2443930B2 - Halbleiter-zweirichtungs-schaltanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung mit Thyristoren für die Fernsprechvermittlung od. dgl., die ein Wechselitromsignal ohne Unterbrechung leitet.

Eine herkömmliche Zweirichtungs-Schaltanordnung mit Thyristoren zum Schalten eines Wechsel-Stromsignals hat zwei antiparallelgeschaltcte Thyristoren, so daß ein Signal durch diese geleilet wird, indem ein Strom in die Gatter (Steuerelektroden) der Thyristoren von einer Ansteuereinrichtung eingespeist wird. Die herkömmliche Zweirichtungs-Schaltanordnung erfordert abhängig von der Belastung, daß die Spannung an der Ansteuereinrichtung größer als der Maximalwert der Spannung des Wechselstromsignals ist, damit das Wcchselstromsignal durch die Anordnung geleitet wird. Mit anderen Worten, da die Thyristoren ausgeschaltet sind und der Strom in ihnen schnell auf Null abfällt, wenn der durch die Thvristoren fließende Strom unter deren kleinsten Haltestrompegel verringert wird, muß dafür gesorgt werden, daß der Galterstrom ununterbrochen Hießt, wenn der Signalstrom unter dem kleinsten Hahe-• irompege! kontinuierlich fließt. Solange die Last aus einem reinen Widerstand besteht, kann einfach erreicht werden, daß der Gatterstrom kontinuierlich Hießt da die Spannung bei einem kleinen Stromwert niedrig ist. Wenn jedoch die Last induktiv oder kapazitiv mit einer Phasendifferenz zwischen dem Laststromsignal und der Laststromspannung ist, hat die Spannung an ihrem höchsten Pegel einen kleinen Stromwert wobei der Gatterstrom angelegt werden muß so daß es erforderlich ist, eine Ansteuereinrichtung vorzusehen, die eine höhere Gatteransteuerspannung als den Maximalwert der Signalspannung

aufweist. . ,,,,,.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung anzugeben, bei der eine Signaispannung durch die Thyristoren ohne jedes kurzzeitige Ausschalten geleitet wird, selbst wenn der Strom des Wechselstromsignals unter den kleinsten Haltestrompeüel der Thyristoren so gefallen ist, daß ein Gatterstrom der Thyristoren kontinuierlich mit einem niedrigen Ansteuerspannungspegel unabhängig von der Amplitude einer Signalspannung fließt.

Erfindungsgemäß ist eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung vorgesehen, die zwei durch Einspeisung eines Stromes angesteuerte Kathoden-Gattcr-Ansteuer-Thyristoren und zwei Anodcn-Gatter-Ansteuer-Thyristoren aufweist, die durch Abgriff eines Stromes angesteuert sind, welche Bauelemente so angeordnet sind, daß wenigstens einer der Gatterströme so lange Hießt, als die Signalspannung durch die Thyristoren übertragen werden

Die Erfindung sieht ako eine Halbleiter-Zweirichiungs-Schaltanordnung vor, die zwei antiparallelgeschaltete Thyristorpaare aufweist, wobei jedes Paar aus einem Kathoden-Gaiter-Ansteuer-Thyristor und einem Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor besteht, und wobei die Kathoden-Gatter der Kathoden-GaUer-Ansteuer-Thyristoren mit einer Kathoden-Gatter-Ansleuereinrichtung zur Einspeisung eines Stromes und die Anoden-Gatter der Anodcn-Gatter-Amteuer-Thyristoren mit einer Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung zum Übernehmen eines Stromes verbunden sind, so daß der Gatterstrom der Thyristoren unabhängig von der Signalspannung kontinuierlich fließt, wodurch das Wechselstromsignal ohne plötzliches Abschalten durch diese Bauelemente fließen kann, selbst wenn das Wechselstromsignal unter den kleinsten Haltestrompegel der Thyristoren abfällt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein herkömmliches Schaltbild mit zwei antiparallelucschalteten Thyristoren,

F i g.*2 die Lastspannung und den Laststrom der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung,

F i g. 3 eine Halblciter-Zweirichtungs-Schaltanordnung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 4 den Laststrom und die Lastspannung der in der F i g. 3 dargestellten Schaltung,

F i g. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 7 einen Vierschiclü-Thyristor.

Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, soll auf den Verlauf der Lastspannung und des Laststromes bei einer herkömmlichen Halblciter-Schaltanordnung eingegangen werden (Fig. 1 und 2).

In der Fig. 1, die eine herkömmliche Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung zeigt, iii ein Zweirichtuncsglicd 1 einschließlich zweier antiparallclgescha.icter Thyristoren vorgesehen, damit ein Wcchselstromsignal geleitet wird, indem ein Strom in die Gatter der Thyristoren von einer Ansteuereinrichtung 2 oder 2' eingespeist wird, die jeweils aus einem Konstantstromglied und einer Stromquelle bestehen.

Weiterhin sind zwei Widerstände 4 zwischen die Kathode und die Kathoden-Gatter-Strecke des Thyristors geschaltet, wodurch eine Fehlzündung der Thyristoren auf Grund des dV/dt-Effektes (Rateoder Geschwindigkeitseffekts) verhindert wird, wobei der für die Thyristoren erforderliche Ansteuer- und Haitestrom durch die Widerstände größer ist.

Als Hauptbedingung für die Schaltung wird angenommen, daß ein Signal durch das Zweirichtungsschaltglied 1 geleitet wird, das miteinerSignalquellc5 und einer kapazitiven Last 6 verbunden ist, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist. Wie aus dem Diagramm der F i g. 2 hervorgeht, ist offensichtlich, daß der Laststrom 7 der Lastspannung 8 um ungefähr .τ/2 voreilt. Der Gatterstrom kann nicht fließen, wensi die Gatteransteuerspannung niedriger als die maximale Lastspannung ist, so daß der Laststrom plötzlich auf Null unter den minimalen Haltestrom 18 der Thyristoren abfällt, wie dies durch ein Bezugszeichen 9 angedeutet ist, wobei der Laststrom plötzlich in der entgegengesetzten Richtung zunimmt, wenn die Signalspannung auf einen ausreichend niedrigen Pegel abfällt, wodurch der Gatterstrom zu den Thyristoren geleitet werden kann.

Bei dem Verfahren kann das erneute Zünden des Thyristors und das Abschalten der Thyristoren auf Grund der Unfähigkeit des Laststromes, den kleinsten Haltestrom der Thyristoren zu erreichen, trotz einer erfolgreichen erneuten Zündung alternativ abhängig von den Bedingungen der Schaltung auftreten. Ein Verfahren zur Verhinderung einer derartigen Schwierigkeit, bei dem eine Gatteransteuerspannung höher als der maximale Pegel der Signalspannung ist, wodurch erreicht wird, daß der Gatterstrom unter jeder Bedingung fließt, ist unwirtschaftlich, und die damit verbundene hohe Gleichsparnung ist hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Bauelemente der Schaltung von Nachteil.

Die Erfindung vermeidet den obenerwähnten Nachteil der herkömmlichen Zweirichtungs-Schaltanordnung und sieht eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung vor, bei der der Gatterstrom der Thyristoren kontinuierlich mit einer niedrigen Ansteuerspannung unabhängig von der Amplitude einer Signalspannung fließen kann, so daß der Signalstrcn ohne jedes plötzliche Abschalten durch die Thyristoren geleitet wird, selbst wenn die Spannung des Wechselstromsignals unter den kleinsten Haltestrompegel der Thyristoren abfällt.

Die Fig. 3 zeigt eine Halbleiter-Zwcirichumgs-Schaltanordnung nach einem ersten Ausfiihrungsbeisniel der Erfindung in einem Zustand, in dem ein Wcchselstromsignal geleitet wird. In dieser Figur sind vorgesehen ein Anoden-GaUer-Anstcucr-Thyristor 11, ein entgegengesetzt zum Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor 10 geschalteter weiterer Kathoden-Gatier-Ansteuer-Thyristor 12, ein entgegengesetzt zum Anoden-Gitter-Anstcucr-Thyiistor 11 geschalteter weiterer Anoden-Galter-Thyristor 13, eins Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 aus einem Konstantstromglicd und einer Stromquelle, eine Anodcn-Gatter-Ansteuereinrichtung 14 aus einem Konstantstromglied und einer Stromquelle, Dioden 3, die einerseits den Gatterslrom teilen, damit dieser in

ίο die Thyristoren 10 und 12 eingespeist wird, und die andererseits den Sperrstrom von den Thyristoren 10 und 12 zum Konstantstromglied der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 unterbrechen, und Dioden 15, die den von den Thyristoren 11 und 13 übernomrnenen Gatterstrom teilen und den Sperrsirom vom Konstantstromglied der Anoden-Gatter-Anstcuereinriehtung 14 zu den Thyristoren 11 und 13 unterbrechen. Die SignalqueUe 5 und das Lastglicd f> können von beliebiger Art sein, obwohl zahlreiche Formen wie bei der F i g. 1 möglich sind. Zur Vereinfachung sind die Widerstände 4, die in der F i g. 1 zwischen den Gattern und den Kathoden liegen, in der F i g. 4 nicht dargestellt.

In der Fig. 4, die die Beziehung zwischen dem Laststrom und der Lastspannung zeigt, die jeweils der Schaltung der F i g. 3 zugeordnet sind, eilt die Phase des Lastslromes 16 der Phase der Lastspannung 17 vor. An Hand der F i g. 3 und 4 wird der Betrieb der Schaltung weiter unten, näher ei läutert.

Wenn der Laststrom 16 unter den Pegel 18 des kleinsten Haltestromes der Thyristoren üor Fig. 3 abfällt, kann ein plötzliches Ausschalten bei keinem kontinuierliche:·¹. Fluß des Gatterstromes auftreten, wie dies in der F i g. 2 durch das Bezugszeichen 9 angedeutet ist. Die Art und Weise, in der die obenerwähnte Schwierigkeit des plötzlichen Abschal tens durch die erfindungsgemäßc Halblciter-Zweiriehtungs-Schaltanordnung überwunden wird, soll erläutert werden, indem das betrachtete Signal in Bereiche 19 bis 22 eingeteilt wird, um das Verständnis des Betriebs der crfindungsgeniäßen Schaltanordnung zu erleichtern. Zunächst bewirkt im Bereich 19 die Tatsache, daß die Lastspannung 17 nahezu ihren Maximalwert hat und die Anoden-Gaticr-Anstcucrcinrichtung 14 sich auf einem negativen Potential befindet, ein Fließen des Gatterstromes und ein Leiten des Anoden-Gatter-Ansteucr-Thyristors 11. Im Bereich 20, in dem sich die Polarität des Signalstromes ändert und in dem die entgegengesetzt geschalteten Thyristorcn leitend gesteuert werden müssen, ist die Spannung auf ihrem maximalen positiven Wert, und daher fließt ein Gatterstrom durch das Anodcn-Gatlcr-Ansteuerglied 14, mit dem Ergebnis, daß der Anoden-Gatter-Ansteucr-Thyristor 13 leitend ist, um in diescm Bereich wirksam zu sein. In den Bereichen 21, in denen die Spannung im wesentlichen ihren negativen Maximalwert hat, kann ein Gatlcrstrom von der Kathoden-Gatter-Anstcucrcinrichtung 2 bei einer niedrigen Spannung geliefert werden so daß der Kaihoden-Gatier-Anstcuer-Tliyristor 12 leitend gehalten wird, um dadurch in diesem Bereich wirksam zu sein. In den Bereichen 22, in denen der Signalslrom seine Polarität ändert und im wesentlichen den negativen Maximale en der Spannung annimmt, wird ein

Gatterslrom von der Kathodcn-Gattcr-Ansteucreinrichtung 2 eingespeist, und der Kathoden-Gatter-Thyristor 10 wird leitend gehalten, um in diesem Bereich wirksam zu sein.

Beim ersten Ausführungsbeispiel der F i g. 1 kann ein Gatterstrom bei einer niedrigen Ansteuerspannung vom Anoden-Gatter bei einer positiven Signalspannung übernommen werden, während ein Gatterstrom bei einer niedrigen Ansteuerspannung vom Kathoden-Gatter bei einer negativen Signalspannung geliefert werden kann. Thyristoren, die durch positive und negative Ansteuereinrichtungen ansteuerbar sind, sind parallel geschaltet, so daß der Thyristor, bei dem ein Gatterstrom in Übereinstimmung mit der Signalspannung fließen kann, leitend gehalten wird, wodurch der Signalstrom kontinuierlich fließen kann, selbst dann, wenn er kleiner ist als der minimale Haltestrom der Thyristoren.

Weiterhin sind bei der Schaltung der Fig. 3 zwei Thyristorpaare antiparallel durch jeweils die Dioden 3 und 15 geschaltet, so daß es möglich ist, die Anzahl der Konstantstromglieder in der Gatter-Ansteuereinrichtung im Vergleich zur herkömmlichen Schaltung auf die Hälfte zu verringern.

In der F i g. 5, die eine Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist der Zustand, in dem ein Wechselstromsignal geleitet wird, wie bei der F i g. 3 dargestellt. Dabei sind ein Thyristor 23 mit vier Anschlüssen einschließlich einem Kathoden-Gatter und einem Anoden-Gatter und ein entgegengesetzt geschalteter Thyristor 24 mit vier Anschlüssen vorgesehen. Gatter-Anstcuereinrichtungen 2 und 14 sind ähnlich angeordnet wie die entsprechenden Bauelemente der F i g. 3. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die zwischen dem Gatter und der Kathode in der F i g. 1 vorgesehenen Widerstände bei der Schaltung der F i g. 5 nicht dargestellt. Der Betrieb dieses A-usführuncsbeisplels wird an Hand der F i g. 4 näher erläutert. Im Bereich 19 fließt der Gatterstrom weiter vom Anoden-Gatter zur Anoden-Gatter-Ansteucreinrichtung 14, so daß der Thyristor 23 mit vier Anschlüssen leitend gehalten wird, um in diesem Bereich wirksam zu sein. Im Bereich 20 fließt der Gatterstrom auch kontinuierlich vom Anoden-Gatter zur Anoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 14, mit dem Ergebnis, daß der Thyristor 24 mit vier Anschlüssen leitend gehalten wird, so daß er in diesem Bereich wirksam ist. Im Bereich 21 wird der Gatterstrom weiter von der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtnne2 zum Kathoden-Gatter gespeist, so daß der Thyristor i<* mit vier ^ubtniussen ic'ucuü gehaiicn wird, um in diesem Bereich wirksam zu sein. Im Bereich 22 fließt der Gatterstrom weiter von der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 zum Kathoden-Gatter, und als Ergebnis wird der Thyristor 23 mit vier Anschlüssen leitend gehalten, um in diesem Be-ιέινπ ννϊίίνΰαΩϊ ZlI 3ΟΪΠ.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die in der F i g. 5 dargestellte Schaltung ähnlich der Schaltung der F i g. 3 so ausgebildet, daß das Signal kontinuierlich fließen kann, selbst wenn der Laststrom unter den minimalen Haltestrom der Thyristoren abfällt.

Bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 3 und 5 müssen die Gatter-Ansteuereinrichtungen 2 und 14 nicht notwendigerweise in Anbetracht der Tatsache eine symmetrische Form haben, daß es genügt, wenn eine von ihnen in Übereinstimmung mit der Lastspannung leitend gehalten wird, und daß der Schaltpunkt der Übernahme nicht auf einen Nullpotential gehalten werden muß.

In der F i g. 6, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, hat eine Anoden-Gatter-Ansteucreinrichtung 14' ein direkt geerdetes Konstantstromglied, wobei die übrigen Bauelemente die gleichen Bezugszeichen wie entsprechende Bauelemente der Fig. 5 aufweisen. Die in der Fig. 6 dargestellte Schaltung arbeitet so, daß die Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung 2 auf einem etwas positiven Pegel der Signalspannung betrieben wird und im negativen Bereich der Signalspannung wirksam ist, während das Anoden-Gatter-Ansteuerglied 14' im positiven Bereich der Signalspannung wirksam ist.

Beim dritten Ausführungsbeispiel der F i g. 6 ist die Stromquelle für die Gatter-Ansteuereinrichtung mii der Seite der Kathoden-Gatter-Ansteuereinrichtung verbunden, aber es arbeitet so, wie wenn es mit der Seite der Anoden-Gatter-Ansteuereüirichtung verbunden ist.

In der F i g. 7, die die in den Ausführungsbeispielen der F i g. 5 und 6 verwendeten Thyristoren mit vier Anschlüssen zeigt, sind vorgesehen eine Anode 25, eine Kathode 26, ein Kathoden-Gatter 27 und ein Anoden-Gatter 28.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die bei den Ausführungsbeispielen vorgesehene kapazitive Last durch eine andere Last, wie beispielsweise eine induktive Last, mit der gleichen Wirkung ersetzt werden kann, da der A.r.oden-Gatterstromfluß 'and der Kathoden-Gatterstromfluß leicht bei positiven und negativen Pegeln der Signalspannung unabhängig von der Amplitude erzeugt werden kann.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, isl an der Erfindung vorteilhaft, daß ein Gatterstrorr

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spannung oder der Lastspannung bei einer niedriger Ansteuerspannung fließt, selbst wenn der Laststron unter den kleinsten Haltestrom der Thyristoren ver ringert ist, wodurch ein plötzliches Ausschalten de: verwendeten Schaltgliedes, unabhängig von der Last verhinderbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Zweirichtungs-Schaltanordnung, mit einem Thyristoren aufweisenden Zweirichtungs-Schaltgiied und mit zwei Ansteuereinr'.clitungen, dadurch gekennzeichnet, dal.» zwei Thyristorpaare (10, 12; 11, 13) antiparallel geschaltet sind, deren jedes einen Kathoden-Gatter-Anstcuer-Thyristor (10, 12) und einen Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristor (11, 13) aufweist, daß die erste Ansteuereinrichtung (2) Strom in die Kathoden-Gatter der Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren (10, 12) speist und daß die zweite Ansteuereinrichtung (14) Strom von den Anoden-Gattern der Anoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren (11, 13) aufnimmt (Fig. 3).

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Ansteuereinrichtungen (2, 14) eine Stromquelle aufweist.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ansteuereinrichtung (2) ein Konstantstromglied, eine Stromquelle und zwei Dioden (3) aufweist und daß die Kathoden-Gatter der Kathoden-Gatter-Ansteuer-Thyristoren (10, 12) über die Dioden (3) mit dem Konstantstromglied verbunden sind.

4. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ansteuereinrichtung (14) ein Konstantstromglied, eine Stromquelle und zwei Dioden (15) aufweist und daß die Anoden-Gatter der Anoden-Gatter-Ansteucr-Thyristoren (11, 13) über die Dioden (15) mit dem Konstantstromglied verbunden sind.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Thyristoren (23, 24) mit vier Anschlüssen verwendet werden, die jeweils ein Kathoden-Gatter und ein Anoden-Gatter aufweisen und antiparallel geschaltet sind, daß die erste Ansteuereinrichtung (2) Strom in die Kathoden-Gatter der Thyristoren (23, 24) speist und daß die zweite Ansteuereinrichtung (14) Strom von den Anoden-Gattern der Thyristoren (23, 24) aufnimmt (F i g. 5).