DE2529124A1

DE2529124A1 - Lichtbetaetigte halbleiter-schaltvorrichtung

Info

Publication number: DE2529124A1
Application number: DE19752529124
Authority: DE
Inventors: Ichiro Ohinata; Shinji Okuhara; Michio Tokunaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-07-19
Filing date: 1975-06-30
Publication date: 1976-01-29
Also published as: AU8260575A; CA1040734A; JPS5111176A; DE2529124C3; US4039863A; JPS5929006B2; DE2529124B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtungen von pnpn-Struktur, insbesondere auf eine pnpn-Halbleiter-Schaltvorrichtung, die mit verbesserter dv/dt-Toleranz arbeitet und mit hoher Empfindlichkeit eingeschaltet werden kann.

Zu den lichtbetätigten Halbleiterschaltern von pnpn-Struktur (im folgenden als lichtbetätigte pnpn-Schalter bezeichnet) gehören lichtbetätigte Diodenschalter, die lediglich eine Anode und eine Kathode besitzen, lichtbetätigte SCR-Halbleiter (Thyristoren,LASCR), die zusätzlich zur Anode und Kathode ein Kathodengate aufweisen, sowie lichtbetätigte SCS-Halbleiter (LASCS), die. zusätzlich zur Anode, Kathode und dem Kathodengate ein Anodengate besitzen. Derartige lichtbetätigte pnpn-Schalter besitzen die bekannten Vorteile herkömmlicher pnpn-Schalter und sind infolgedessen zur Steuerung bzw. Regelung hoher Spannungen und Ströme geeignet, sind selbst-

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haltend und besitzen hohe Sperrspannungen In beiden Richtungen. Neben den genannten Vorteilen haben lichtbetatig-, te pnpn-Schalter den weiteren großen Vorzug, daß der Gate-Triggerkreis vom Hauptstromkreis elektrisch getrennt werden kann. Derartige lichtbetätigte pnpn-Schalter werden daher in einer Vielzahl von Kontroll- und Regelschaltungen eingesetzt, beispielsweise als Koppelpunktschalter bei Sprechleitungen, wobei die lichtbetätigten pnpn-Schalter mit entgegengesetzter Polarität parallel miteinander verbunden sind, so daß die Durchleitung eines Läutsignals bzw. Rufzeichens ebenfalls möglich ist. Wenn herkömmliche pnpn-Schalter für solche Koppelpunktschalter bei Sprechwegen eingesetzt werden, fließt der Gate-Ansteuerungsstrom in den HauptStromkreis, da der Gate-Triggerstromkreis vom Hauptstromkreis nicht elektrisch getrennt ist. In Sprechleitungsschaltungen mit zahlreichen miteinander verbundenen derartigen Koppelpunktschaltern akkumulieren sich die Gate-Ansteuerströme allmählich zu Werten, die nicht mehr vernachlässigbar sind. Zudem wird zwischen Strom- und Spannungsverlauf eine Phasendifferenz erzeugt, da der Schalter beim Durchgang eines Rufzeichens als kapazitive Last wirkt. Wenn der Strom unter dem HaüiBstrom liegt und der Schalter ausgeschaltet wird, ohne daß ein Gate-Strom anliegt, kann die Spannung an der Kathode einen hohen Wert erreichen, der nahezu gleich dem Peakwert der Amplitude des Rufzeichens ist. Es 1st infolgedessen erforderlich, eine über dem Peakwert des Rufzeichens liegende Spannung für den Gate-Triggerstromkreis zu erzeugen, der zur Stromversorgung des Schaltergates dient.

Im Gegensatz dazu lassen sich durch Anwendung lichtbetätigtMar pnpn-Schalter für derartige Zwecke die genannten Probleme in außerordentlich vorteilhafter Weise lösen, da der Triggerstromkreis des Gates vom Hauptstromkreis elektrisch getrennt werden kann. Lichtbetätigte pnpn-Schalter haben

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andererseits ähnlich wie herkömmliche pnpn-Schalter den Nachteil, daß sie durch abrupte Spannungsänderungen dV/dt über Anode und Kathode irrtümlich eingeschaltet werden können, was üblicherweise als dV/dt-Effekt oder Rate- bzw. Geschwindigkeits-Effekt bezeichnet wird.

Fig. 1 stellt eine lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung herkömmlicher Art dar, die zur Vermeidung des sog. dV/dt-Effekts angegeben wurde. Die in Fig. 1 dargestellte lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung weist dabei einen Nebenschlußwiderstand 2 auf, der mit dem Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 verbunden ist.

Diese angegebene Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Einschaltempfindlichkeit niedrig ist und zugleich eine hohe Einschaltleistung des Schalters 1 erforderlich ist. Lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtungen wie die erwähnte arbeiten entsprechend nur mit sehr niedrigem Wirkungsgrad und sind angesichts des elektrooptischen Wirkungsgrads der Umwandlung von auf den lichtbetätigten pnpn-Schalter von einer Lichtquelle auffallendem Licht für eine praktische Anwendung ungeeignet (der elektrooptische Wirkungsgrad beträgt beispielsweise bei einer Leuchtdiode LED, im Höchstfall einige wenige Prozent).

Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung anzugeben, die die erwähnten Nachteile nicht aufweist und mit verbesserter dV/dt-Toleranz betrieben und mit hoher Empfindlichkeit eingeschaltet werden kann.

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Die erfindungsgemäße lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung umfaßt:

einen lichtaktivierten pnpn-Schalter, ein Impedanzelement, ein Schaltglied sowie ein kapazitives Element, wobei das Impedanzelement und ^das Schaltglied parallel mit dem Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten pnpn-Sehalters verbunden sind und das Schaltglied mit einem über das kapazitive Element gelieferten Strom eingeschaltet wird.

Die Erfindung gibt also eine lichtbetätigte HaIbleiter-Schaltvorrlchtung mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter, einem Impedanzelement, einem Schaltglied und einem kapazitiven Element an. Das Impedanzelement und das Schaltglied sind mit dem Kathodengate und der Kathode oder mit der Anode und dem Anodengate des lichtbetätigten pnpn-Sohalters parallel verbunden, wobei das Schaltglied mit dem vom kapazitiven Element gelieferten Strom eingeschaltet wird, wodurch die Vorrichtung mit verbesserter dV/dt-Toleranz und hoher Einschaltempfindlichkeit betrieben werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein _s. Ersatzschaltbild einer herkömmlichen lichtbetätigten Halbleiterschaltvorrichtung mit Kurzemitter ('sljort-Emitter^f) zur Verbesserung der dV/dt-Toleranz des lichtfoetatigten pnpn-Sehalters 1;

Pig. 2 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen lichtbetätigten Halbleiter-Schaltvorrichtung

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sowie

Pig. 3-5 Ersatzschaltbilder von Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung einer erfindungsgemäßen licht betätigten Halbleiter-Schaltvorrichtung umfaßt einen lichtbetätigten pnpn-Scbalter 1, einen Strom-Nebenschlußwiderstand Rj zum Schutz des lichtbetätigten pnpn-Schalters gegen einen kleinen dV/dt-Effekt, einen Strom-Nebenschlußtransistor Qi zum Schutz des liohtbetätigten pnpn-Schalters gegen große dV/dt-Effekte, einen Kondensator C zum vorübergehenden Einschalten des zum Schutz gegen den dV/dt-Effekt vorgesehenen Transistors Q₁ sowie einen Widerstand R₂ zur Entladung des Kondensators C und des Transistors Q₁. Der sog. dV/dt-Effekt tritt bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wie in Fig. 1 auf, wenn eine abrupte Spannungsänderung dV/dt an der Anode A und der Kathode K des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 anliegt, wodurch der Ladestrom durch die pn-Übergangs-Kapazität Cj zwischen Anodengate und Kathodengate des licht betätigten pnpn-Schalters abfließt und als Kathodengatestrom wirkt, wodurch irrtümliche Einschaltvorgänge des licht betätigten pnpn-Schalters hervorgerufen werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen lichtbetätigten Halbleiter-Schaltvorrichtung wird andererseits der zum Schutz gegen den dV/dt-Effekt vorgesehene Transistor Q, über den Kondensator C mit Basisstrom versorgt, wenn eine abrupte Spannungsänderung dV/dt an der Anode A und der Kathode K des licht betätigten pnpn-Schalters 1 auftritt, wobei der Transistor Q₁ so eingeschaltet wird, daß der an der Kapazität Cj des pn-Übergangs anliegende Ladestrom absorbiert wird. Irrtümliches Einschalten des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 kann infolgedessen in verläßlicher Weise verhindert werden, wenn der Transistor

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Q₁ im Sättigungsgebiet arbeitet und die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors Q₁ niedriger ist als die am Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 anliegende Einsehaltspannung in Vorwärtsrichtung. Dies kann leicht erreicht werden durch entsprechende Wahl der Kapazität des Kondensators C zur Einstellung der pn-Übergangs-Kapazität C- und durch geeignete Wahl von ß_Qi* der Emitter-Basis-Stromverstärkung des Transistors Q₁*sowie von V_CESQ1, ^der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors Q-,. Diese Werte werden im einzelnen so ausgewählt, daß sie folgenden Gleiohungen genügen:

^j- Q^ so > c ^⁷- und

⁷CESQl ^ ⁷GK(ein),

wobei mit V-ng«, die Durchlaßspannung über Basis und Emitter des Transistors Q₁ und mit V_QK/_einx die Spannung in Durchlaßrichtung am Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 bezeichnet ist.

Der Widerstand Rp dient zur Abführung der auf dem Kondensator C und dem Transistor Q₁ gespeicherten Ladung. Durch den Widerstand R₂ wird der Transistor Q₁ ausgeschaltet, wenn eine kleine Spannungsänderung dV/dt an der Anode A und der Kathode K des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 anliegt, also wenn

„ dV s ⁷BEQl

^c at ^ ~τςτ

Der Widerstand R, ist infolgedessen zum Schutz des 509885/0849

pnpn-Schalters 1 gegen einen dV/dt-Effekt in einem derartigen Fall erforderlich. Die Punktion des Widerstands FL unterscheidet sich allerdings von der des Widerstands 2 in der in Pig.I dargestellten herkömmlichen Vorrichtung darin, daß er zum Schutz des pnpn-Schalters 1 gegenüber kleinen Änderungen dV/dt dient. Der Widerstand R₁ kann entsprechend einen hohen Widerstandswert aufweisen. Der Transistor Q₁ befindet sich natürlich im stationären Zustand der Schaltvorrichtung im nichtleitenden Zustand, und der Gatestrom ist durch den Wert des Widerstands R₁ bestimmt. Auf diese Weise kann der licht betätigte pnpn-Schalter 1 mit hoher Empfindlichkeit eingeschaltet werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Weiterbildung ist der Kondensator C durch eine Diode D ersetzt, die mit dem Anodengate des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 und der Basis des zum Schutz gegen den dV/dt-Effekt dienenden Transistors Q, verbunden ist, wodurch ein kapazitiver Basisstromkreis erzeugt wird, der dazu dient, den Transistor Q₁ lediglich im Übergangszustand zu triggern, indem die Änderung dV/dt an der Anode A und der Kathode K des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 anliegt. Ein pnp-Transistor mit kleiner Stromverstärkung kann ferner in der Weise vorgesehen werden, daß dessen Emitter und Basis mit Emitter und Basis des zum lichtbetätigten pnpn-Schalter gehörenden pnp-Transistors gemeinsam verbunden sind und der Kollektor mit der Basis des Transistors Q₁ verbunden ist. In diesem Fall besitzt der Widerstand R₂ eine Schutzfunktion, mit der - zusätzlich zur Hauptfunktion des Abfließens angesammelter Ladung - der Transistor Q, gehindert wird, im stationären Zustand leitend zu werden. Parallel zum Widerstand R₁ kann ferner ein kapazitives Element vorgesehen werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Weiterbildung beruht auf 509885/0849

dem gleichen, bereits genannten Prinzip und verwendet eine komplementäre Anordnung. In Fig. 4 sind der zum Schutz gegen den dV/dt-EinflUß vorgesehene. Transistor Q, sowie das Impedanzelement R, parallel mit der Anode A und dem Anodengate des lichtbetätigten . pnpn-Schalters 1 verbunden, wobei der Transistor Q-, so angeordnet ist, daß er durch den vom kapazitiven Element C gelieferte Strom eingeschaltet werden kann.

Bei der in Fig. 5 dargestellten erfindungsgemäßen Weiterbildung besteht der lichtbetätigte pnpn-Schalter aus der Kombination eines herkömmlichen pnpn-Schalters und eines Phototransistors 4, wobei ein Nebenschlußstromkreis variabler Impedanz mit dem lichtbetätigten pnpn-Schalter verbunden ist. Aus Fig. 5 geht hervor, daß sogar bei der Kombination eines herkömmlichen pnpn-Schalters und des lichtbetätigten Elements zu einem lichtbetätigten pnpn-Schalter die dV/dt-Toleranz durch einen dem vorbeschriebenen ähnlichen Nebensohlußstromkreis variabler Impedanz verbessert werden kann.

Die Erfindung gibt also eine verbesserte lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter an, deren verbesserte dV/dt-Toleranz und hohe Einschaltempfindlichkeit auf dem Umstand beruhen, daß der NebensOhlußstroinkreis variabler Impedanz im stationären Zustand hohe Impedanz und als Antwort auf das Anlegen einer abrupten Spannungsänderung dV/dt am Kathodengate und der Kathode oder der Anode und dem Anodengate des licht betätigten pnpn-Schalters niedrige Impedanz besitzt.

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Claims

Patentansprüche

fly Lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter und einem Impedanzelement, gekennzeichnet durch ein Schaltglied (Q₁) sowie ein kapazitives Element (C), wobei das Impedanzelement (R.) und das Schaltglied (Q₁) parallel mit dem Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten pnpn-Sohalters (1) verbunden sind und das Schaltglied (Q₁) mit einem durch das kapazitive Element (C) gelieferten Strom eingeschaltet wird (vgl. Fig. 2).

2. Lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter und einem Impedanzelement, gekennzeichnet durch ein Schaltglied (Q₁) sowie ein kapazitives Element (C), wobei das Impedanzelement (R₁) und das Schaltglied (Q₁) parallel mit dem Anodengate und der Anode des lichtbetätigten pnpn-Schalters (1) verbunden sind und das Schaltglied (Q₁) mit einem durch das kapazitive Element (C) gelieferten Strom eingeschaltet wird (vgl. Fig. 2).

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sohaltglied ein npn-Transistor verwendet ist.

4. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode mit dem Anodengate des pnpn-Schalters und der Basis des npn-Transistors verbunden ist.

5. Schaltvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Basis eines pnp-Transistors

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mit kleines Stromverstärkungsfaktor zusammen mit Emitter und Basis des den pnpn-Schalter bildenden pnp-Transistors verbunden sind und der Kollektor mit der Basis des npn-Transistors verbunden ist.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein parallel mit dem Impedanzelement verbundenes kapazitives Element.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daB als Schaltglied ein pnp-Transistor verwendet ist.

8. Schaltvorrichtung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode mit dem Kathodengate des pnpn-Schalters und der Basis des pnp-Transistors verbunden ist.

9. Schaltvorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Basis eines npn-Transistors mit kleiner Stromverstärkung gemeinsam mit Emitter und Basis des den pnpn-Sohalter bildenden npn-Transistors und der Kollektor mit der Basis des pnp-Transistors verbunden sind.

10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen herkömmlichen pnpn-Schalter und einen Phototransistor als pnpn-Schalter.

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