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"Symmetrischer, elektronischer Halbleiterkoppelpunkt" Die Erfindung
betrifft einen symmetrischen, elektronischen.
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Hafbl eiterkoppelpunkt zur Durchschaltung von Leitungen in Fernmeldeanlagen,
insbesondere in öffentlichen Fernsprechvermittlungsanlagen, der aus zwei Längs zweigen
und einem Querzweig besteht und bei dem in seinem Durchlaß zustand niedrigen Längszwiderständen
ein hoher Querzweigwiderstand und in seinem Sperrzustand hohenLängszweigwiderständen
ein niedriger Querzweigwiderstand zugeordnet ist und bei dem in den Längs zweigen
jeweils antiparallel geschaltete Enyristoren vorgesehen sind
Durch
die DT-OS 20 64 489 ist ein symmetrischer, elektronischer Halbleiterkoppelpunkt
bekannt geworden, der als Längs-und Querzweigwiderstande bidirektionale Schaltelemente
besitzt, die durch eine angeschaltete Steuerwechselspannung über einen individuellen
galvanisch trennenden Wandler und eine Gleiehrichteranordnung aus ihrem Sperrzustand
in den Zustand großer Leitfähigkeit überführbar sind. Dieser Koppelpunkt erfordert
für Jedes bidirektionale Schaltelement einen Übertrager und ist daher außerordentlich
aufwendig.
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flit wesentlich weniger Übertragern kommt der Vorschlag der Patentarmeldung
P 24 30 808 aus, bei dem als Längswiderstände Je zwei Triacs oder Je vier antiparallel
geschaltete Thyristoren pro Längs zweig vorgesehen sind, die von einem einzigen
übertrager angesteuert werden. Bei diesem Koppelpunkt wird der Querzweig durch mindestens
einen Kondensator gebildet, dessen Kapazität so bemessen ist, daß eine geforderte
Sperrdämpfungsbedingung eingehalten wird. Insbesondere kann er als Relais-Ersatz
in öffentlichen Fernsprechvermittlungsanlagen dienen. Insbesondere hat er folgende
Eigenschaften: a) Er hält Sperrspannungen von mindestens 200 V im Sperrzustand und
Gleichstrome bis zu 80 m& im Durchlaßbetrieb auf Dauer aus.
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b) Gleichstrom, auch kleine Gleichströme bis zu 10 µA für Leitungsprüfzwecke,werden
in beiden Richtungen durcbgelassen, c) Er erzeugt wenig Geräusch- und Funkstörspannungen.
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d) Für die obere Sprachfrequenz von 3400 Hz weist er bei Abschluß
mit 600#eine Sperrdämpfung>11 N auf und im Sprachband er hat/eine nur geringe
DurchlaßdämpFung, e) Zwischen Steuerkreis und Leitungskreis besitzt er eine echte
galvanische Trennung.
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Nachteilig ist Jedoch, daß auch dieser Koppelpunkt noch recht aufwendig
ist und in Siebdruckhybridtechnik viel Raum einnimmt, insbesondere wegen der großen
Triac-Chips bzw. wegen der grossen Anzahl von Thyristoren und wegen der Übertrager,
die auf dem Keramiksubstrat angebracht werden müssen. Bei Realisierung dieses Koppelbausteins
in Siebdrucktechnik sind außerdem die Übertrager-Anschlüsse sehr hinderlich. Da
Triacs vorwiegend für niederfrequente Anwendungen und bohe Leistungen eingesetzt
werden, weisen sie lange Ein- und Abschaltzeiten sowie hohe Zündströme (in der Größenordnung
von 10 mA)auf. Auch die Ralteströme kostengünstiger Triacs liegen mit mindestens
5 mA relativ hoch.
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Thyristoren zeigen in dieser Hinsicht wesentlich bessere Bigenschaften.
Bei einem maximalen Schaltstrom von 600 mA sind Zündströme unter 50 µA und Halteströme
unter 1 mA leicht zu verwirklichen. Auch ist der Raumbedarf eines Koppelpunktes
auf einem Thyristor-Chip mindestens 9mal geringer als auf einem Triac-Chip.
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Da Jedoch bei dem vorgeschlagenen Koppelpunkt 8 Thyristoren und wegen
der erhöhten Bczehl der Übertragerwicklungen auch grössere Ubertrager eingesetzt
werden müssen, ergibt sich praktisch keine Raumersparnis gegenüber einem Triac-Xoppelpunkt.
Auch sind die Herstellungskosten nahezu gleich. Auf einem Siebdruckbaustein der
Pläche 25 x 25 mm2 können in beiden Fällen lediglich zwei symmetrische Halbleiterkoppelpunkte
untergebracht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Koppelpunkt der eingangs
genannten Art anzugeben, der möglichst die Vorteile der bekannten Koppelpunkte aufweist,
Jedoch gegenüber den bekannten weniger Raum einnimmt und preisgünstiger herstellbar
ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst.
Es ist nunmehr möglich ,symmetrische, elektronische Koppelpunkte herzustellen, welche
die Vorteile der in der OS 20 64 489 vorgeschlagenen Koppelpunkte aufweisen, Jedoch
sich in Dickfilm-Technik wesentlich einfacher realisieren lassen, ohne übertrager
auskommen, dadurch weniger Platz und Raum einnehmen und somit wirtschaftlicher herstellbar
sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Wird die Querimpedanz aus der Serienschaltung zweier gondensatoren
zusammengesetzt, deren gemeinsamer Verbindungspunkt geerdet ist, werden die durch
den gesperrten Eoppelpunkt verursachten Symmetriestörungen vermindert, die eine
Herabsetzung seiner Bperrdämpfung herbeiführen.
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Widerstände parallel zur Gate-Eathoden-Strecke der antiparallel geschalteten
Thyristoren verbessern deren Stabilität gegen Impuls störungen auf den durchzuschaltenden
Leitungen und vermeiden den Rate-Effekt, eine Erscheinung, bei der die Thyristoren
infolge eines mit der Zeit steil ansteigenden Impulses an der Gate-Eathode-Strecke
bereits bei niedrigeren Zündspannungen als bei langsam ansteigenden Impulsen zünden.
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Der bidirektionale Fotohalbleiter kann durch beliebige lichtemittierende
Bauelemente.gezündet werden. Besonders klein, wenig Leistung aufnehmend und leicht
steuerbar sind vor allem als LED bekannt gewordene lichtemittierende Dioden, die
im Ultrarot emittieren.
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Als bidirektionale Fotohalbleiter stehen verschiedene Ausführungen
zur Verfügung. Je nach Preis und Abmessungen können
Potothyristoren,
die Jeweils zweipolig als symmetrische Fototransistoren geschaltet sind, symmetrische
Fototransistoren oder Fotowiderstände am vorteilhaftesten eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nun an Hand zweier Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt: Figur 1: Struktur des symmetrischen Halbleiterkoppelpunktes Figur 2: Ausführungsbeispiel
eines symmetrischen Halbleiterkoppelpunktes mit Fotothyristoren und lichtemittierenden
Dioden Der Koppelpunkt besteht aus zwei Längszweigen und einem Querzweig. Der eine
Längszweig mit den Änschlüssen 1 und 2 wird gebildet aus den beiden antiparallel
geschalteten Thyristoren T1 und T2, der andere mit den tnschlüssen 3 und 4 durch
die beiden antiparallel geschalteten Thyristoren T3 und T4.
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Zwischen deren Gate-Bnschlüssen G7 und G2 bzw. G3 uDd G4 ist Jeweils
ein bidirektionaler Fotohalbleiter 5 bzw. 6 angeschlossen, mit dem die Zündung von
einem der beiden antiparallel geschalteten Thyristoren vorgenommen wird, so daß
Jeweils einer dieser antiparallel geschalteten Thyristoren vom Sperrzustand in den
Zustand niedrigen Durchlaßwiierstandes
gelangt.
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Im Längs zweig in Serie zu den antiparallel geschalteten Thyristoren
sind Jeweils zwei antiparallel geschaltete Dioden Dl und D2 bzw. D3 und D4 angeordnet.
Dabei ist an den gemeinsamen Verbindungspunkten der antiparallel geschalteten Thyristoren
T1, T2 bzw. 23, T4 mit den antiparallel geschfiteten Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 eine
Querzweigimpedanz ZQ angeschlossen.
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Die Steuerung des Koppelpukktes bewirkt die Steuerung 7. Hierzu ist
zum Einschalten der bidirektionalen Botohalbleiter 5 und 6 Jeweils ein elektrooptisches
Bauelement, wie weiter unten näher erläutert1 vorgesehen.
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Die Impedanz im Querzweig ZQ muß so geschaffen sein, daß über sie
kein Gleichstrom fließen kann, da ein über den Querzweig fließender Gleichstrom
die Leitungsprüfung storen und sie eventuell unmöglich machen würde. Sie wird aus
diesem Grunde am einfachsten durch einen Kondensator realisiert, dessen Kapazität
so bemessen ist, daß mit Hilfe der in den beiden Längszweigen liegenden antiparallelen
Diodenpaare D1, D2 und geforderte D3, D4 eine/Sperrdampfungsbedingung im Sprachband
erfüllt wird, btt vernachlässigbarer Querableitung für den durchgeschalteten
Koppelpunkt.
Die Vervendung von Kondensatoren im Querzweig des goppelpunktes ist vor allem für
seine wirtschaftliche Realisierung in der Dickfilmtechnik eignet.
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Parallel zur Gate-Eathoden-Strecke der antiparallel geschalteten Thyristoren
sind jeweils Widerstände Rl, R2, R3 und R4 geschaltet, welche die Stabilität des
Koppelpunktes bei unvermeidlichen Impulsstörungen auf den an ihnen angeschlossenen
Leitungen verbessern.
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Die Anschlüsse 1 und 3 sind mit Leitungen verbunden, die zum Teilnehmer
führen. Ober die Anschlüsse 2 und 4 gelangt, im allgemeinen über weitere goppelpunkte,
die Versorgungsspannung U0 einer Spannungsquelle 10 über eine Drossel 101 an den
Koppelpunkt.
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Die Durchschaltung des Koppelpunktes erfolgt, wenn der Teilnehmer
seinen Handapparat abnimmt, somit die Anschlüsse 1 und 3 über das Teilnehmergerät
verbindet und die Steuerung di tidirektionalen Halbleiter einschaltet. Dabei ist
es gleichgültig, in welcher Polung die Versorgungsspannung anliegt.
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Die Sperrung des Koppelpunktes erfolgt, wenn der Teilnehmer durch
Auflegen seines Handapparates den Stromkreis unterbricht.
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Die Steuerung schaltet dadurch sofort die Erregung der bidirektionalen
Fotohalbleiter ab und durch das Absinken der Thyristorströme
unter
eine vorgegebene Schwelle schalten diese sich in den gesperrten Zustand.
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In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen symmetrischen
Koppelpunktes dargestellt, dessen bidirektionale und Fotohalbleiter aud Fotothyristoren
5 und 6 bestehen / die als symmetrische PNP-Fototransistoren geschaltet sind. Hierzu
sind die Gates 51 bzw. 61 jeweils mit den Kathoden des Fotothyristors 5 bzw 6 verbunden.
Als Steuerschaltung dient jeweils eine lichtemittierende Diode LED 1 bzw. LED 2.
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Die Querzweigimpedanz ZQ wird hier aus den beiden, im gemeinsamen
Verbindungspunkt geerdeten Kondensatoren Cl und C2 gebildet.
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Werden die lichtemittierenden Dioden LED 1 und LED 2 durch die Steuerspannung
UST gespeist, so fließt über sie der Steuerstrom 1F und der Fotothyristor wird belichtet.
Ist durch die Belichtung der FotothyristorenT5 und T6 der über sie fliessende Strom
so groß, daß an den Widerständen R1 und R2 eine so große Spannung und und abfällt,
daß die Thyristoren T1 /oder T2 r4 zünden können, dann schaltet der symmetrische
Koppelpunkt ein.
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Liegt an der Klemme 2 der negative Pol der Versorgungsspannung
UQ
(Figur 1), so werden die Thyristoren Tl und T3 des Koppelpunktes eingeschaltet.
Liegt jedoch an der Klemme 2 der positive Pol der Versorgungsspannung Uo , gelangen
die Thyristoren T2 und T4 in den durchgeschalteten Zustand.
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Die antiparallel geschalteten Diodenpaare D1 und D2 bzw. D3 und W
sorgen in Verbindung mit den Querzweigkondensatoren für die erforderliche Sperrdämpfung
verbunden mit einer minimalen Durchlaßdämpfung, wenn die Kondensatoren geeignet
gewählt werden.
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Weil neben den Thyristoren T1 bis T4 auch die Fotothyristoren 5 und
6 als symmetrische PNP-Transistoren die maximale Sperrspannung des Koppelpunktes
bestimmen, sind sie so auszuwählen, daß zumindest der geforderte Wert, beispielsweise
200V sicher erreicht wird.
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Im Ausführungsbeispiel des symmetrischen Koppelpunktes wurde folgende
Schaltungsdimensionierung gewählt: Widerstandswerte der Widerstände R1, R2, R3,
R4 jeweils 56 kSt Kapazitätswerte der Kondensatoren C1, C2 jeweils 300 pF Thyristoren:
Usperr = 400V, Imax = 600 mA Fotothyristoren: Usperr= 200 V,
Fotodioden:
CQY 36 Dioden: 1 N 4151 Dieser Koppelpunkt erfüllt die oben genannten Forderungen
und weist außerdem die in der Tabelle 1 angegebenen Meßwerte auf (Io ist der im
Längszweig fließende Strom).
| Meßgröße bei I0= 10 mA Io=20mA |
| Sperrdämpfung O<U0<60V >100dB |
| Durchlaßdämpfung -0,11dB -0,06dB |
| Restspannung 3,3V 3,6V |
| Durchlaßverlustleistung 33mW 72mW |
| Steuerverlustleistung bei |
| IF = 10mA 5mA |
| Gesamtverlustleistung 38mW 77mW |
Tabelle 1 Anstelle des hier eingeführten Fotothyristors als bidirektionales, fotoempfindliches
Halbleiterbauelement kann ein symmetrischer Transistor oder ein Fotowiderstand Verwendung
finden. An den Meßwerten der Tabelle 1 ändert sich dadurch nichts.