DE2529124B2 - Lichtbetaetigte halbleiter-schaltvorrichtung - Google Patents
Lichtbetaetigte halbleiter-schaltvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte lichtbetätigte
Halbleiter-Schaltvorrichtungen von pnpn-Strukttir, insbesondere auf eine pnpn-Halbleiter-Schaltvorrichtung,
die mit verbesserter dV7di-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-Schalter (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 Hchtbetätigte pnpn-Schalter besitzen die bekannten
Vorteile herkömmlicher pnpn-Schalter und sind infolgedessen zur Steuerung bzw. Regelung hoher Spannungen
und Ströme geeignet, sind selbsthaltend und besitzen
hohe Sperrspannungen in beiden Richtungen. Neben den genannten Vorteilen haben Hchtbetätigte 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 Koppelpjnkischaltern akkumulieren
sich die Gate-Ansteuerströme allmählich zu Werten, die nich«. 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 Haltestrom 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 Spitzenwert der Amplitude des Rufzeichens ist. Es ist infolgedessen
erforderlich, eine über dem Spitzenwert des Rufzeichens liegende Spannung für den Gate-Triggerstromkreis
zu erzeugen, der zur Stromversorgung des Schaltergates dient.
Im Gegensatz dazu lassen sich durch Anwendung lichtbetätigter pnpn-Schalter für derartige Zwecke die
genannten Probleme in außerordentlich vorteilhafter Weise lösen, da der Triggerstromkreis des Gates vom
Hauptstromkreis elektrisch getrennt werden kann. Lichtbelätigte pnpn-Schalter haben andererseits ähnlich
wie herkömmliche pnpn-Schalter den Nachteil, daß sie durch abrupte Spannungsänderungen dV/d/ über
Anode und Kathode irrtümlich eingeschaltet werden können, was üblicherweise als dV/di-Effekt oder Ratebzw.
Geschwindigkeits-Effekt bezeichnet wird.
Ijpiij pig-1 stellt eine iichtbetätigte Halbleiter-Schaltvor-
:J§§||§nchtung herkömmlicher Art dar, die zur Vermeidung
jRlläes sogenannten d Vldt-Effekts angegeben wurde. Die in
imÜiFig. 1 dargestellte Iichtbetätigte Halbleiter-SchaltvorlB§|fjchtung
weist dabei einen Nebenschlußwiderstand 2 Ip&uf, der mit dem Kathodengate und der Kathode des
!jlglfjjchtbetätigten pnpn-Schalters t verbunden ist
fjllfl Diese angegebene Anordnung weist jedoch den
i(ij§%achteil auf, daß die EinschaltempFindlichkeit niedrig ist
ffjiSiiund zugleich eine hohe Einschaltleistung des Schalters 1
lllflerforderlich ist Lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrich-■a4fi|ungen
wie die erwähnte arbeiten entsprechend nur mit iMfglehr niedrigem Wirkungsgrad und sind angesichts des
IptilBielektrooptischen Wirkungsgrads der Umwandlung von
lllilläuf den lichtbetätigten pnpn-Schalter von einer
iSSjflichtquelle auffallendem Licht für eine praktische
IlllStAnwendung ungeeignet (der elektrooptische Wirkungsgrad beträgt beispielsweise bei einer Leuchtdiode LED,
im Höchstfall einige wenige Prozent).
Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Iichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung
anzugeben, die die erwähnten Nachteile nicht aufweist und mit verbesserter d V/df-Toleranz
betrieben und mit hoher Empfindlichkeit eingeschaltet werden kann.
Die erfindungsgemäße Iichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung
umfaßt:
Linen lichtbetätigten 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-Schalters verbunden sind und das
Schaltglied mit einem über das kapazitive Element gelieferten Strom eingeschaltet wird.
Die Erfindung gibt also eine Iichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung
mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter und einem parallel zu dessen Kathodengate-Kathoden-Strecke
liegenden Widerstand an. die dadurch gekennzeichnet ist, daß noch die Kollektor-Emit·
ter-Sirecke eines Transistors parallel zur Kathodengate-Kathoden-Strecke
des lichtbetätigten pnpn-Schalters liegt und daß die Basis des Transistors durch ein
kapazitives Element mit der Anode oder dem Anodengate dfs lichtbetätigten pnpn-Schalters in der
Weise verbunden ist daß der Transistor durch den seiner Basis von einer in üblicher Weise mit der Anode
oder dem Anodengate des lichtbetätgten pnpn-Schalters verbundenen Stromquelle zugeführten Steuerstrom
eingeschaltet wird.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Ersatzschaltbild einer herkömmlichen lichtbetätigten Halbleiterschaltvorrichtung, bei der
zwischen Kathodengate und Kathode eines lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 zur Verbesserung seiner d V7d/-Toleranz
ein Widerstand zwischengeschaltet ist,
F i g. 2 ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen lichtbetätigten Halbleiter-Schaltvorrichtung sowie
Mg. 3-5 Ersatzschaltbilder von Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
Die in Fig.2 dargestellte Ausführung einer erfindungsgemäßen
lichtbetätigten Halbleiter-Schaltvorrichtung umfaßt einen lichtbetätigten pnpn-Schalter 1,
einen Strom-Nebenschlußwiderstand R\ zum Schutz des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 gegen einen kleinen
dVdi-Effekt, einen Strom-Nebenschlußtransistor Qi
zum Schutz des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 gegen proße dV7d/-Effekte, einen Kondensator C zum
vorübergehenden Einschalten des zum Schutz gegen den dV7dr-Effekt vorgesehenen Transistors Qi sowie
einen Wideratnd R2 zur Entladung des Kondensators C
und des Transistors Qi. Der sogenannte dV7dr-Effekt tritt bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wie
in F i g. 1 auf, wenn eine abrupte Spannungsänderung dV7d/ an der Anode A und der Kathode K des
lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 anliegt wodurch der Ladestrom durch die pn-Übergangs-Kapazität C/
ίο zwischen Anodengate und Kathodengate des lichtbetätigten
pnpn-Schalters 1 abfließt und als Kathodengatestrom wirkt, wodurch irrtümliche Einschaltvorgänge
des lichtbetätigten pnpn-Schalters ί hervorgerufen werden.
Bei der in Fig.2 dargestellten erfindungsgemäßen lichtbetätigten Halbleiter-Schaltvorrichtung wird andererseits
der zum Schutz gegen den dV7di-Effekt
vorgesehene Transistor Qi über den Kondensator Cmit Basisstrom versorgt wenn eine abrupte Spannungsänderung
d V/dt an der Anode A und der Kathode K des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 auftritt, wobei der
Transistor Qi so eingeschaltet wird, daß der an der Kapazität Q des pn-Übergangs anliegende Ladestrom
absorbiert wird. Irrtümliches Einschalten des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 kann infolgedessen in verläßlicher
Weise verhindert werden, wenn der Transistor Qi im Sättigungsgebiet arbeitet und die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung
des Transistors Qi niedriger ist als die am Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten
pnpn-Schaiters 1 anliegende Einschaltspannung in Vorwärtsrichtung. Dies kann leicht erreicht werden
durch entsprechende Wahl der Kapazität des Kondensators C im Verhältnis zur pn-Übergangs-Kapazität C/
und durch geeignete Wahl von βς>\, der Emitter-Basis-Stromverstärkung
des Transistors Qi, sowie von VcESQi.
der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung des Transistors Qi. Diese Werte werden im einzelnen so
ausgewählt.daß sie folgenden Gleichungen genügen:
dV
df
df
V1
und
R7
IESQi
d V df
'ik leint ■
wobei mit VeEQi die Durchlaßspannung über Basis und
Emitter des Transistors Qi und mit VG^ejn;die Spannung
in Durchlaßrichtung am Kathodengate und der Kathode des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 bezeichnet ist.
Der Widerstand Ri dient zur Abführung der auf dem
Kondensator C und dem Transistor Qi gespeicherten Ladung. Durch den Widerstand R2 wird der Transistor
Qi ausgeschaltet, wenn eine kleine Spannungsänderung dV/df an der Anode A und der Kathode K des
lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 anliegt, also wenn
rd_v vBEQl
df R2
ist.
Der Widerstand /?i ist infolgedessen zum Schutz des
pnpn-Schalters 1 gegen einen dV/df-Effekt in einem derartigen Fall erforderlich. Die Funktion des Widerstands
Ri unterscheidet sich allerdings von der des Widerstands 2 in der in F i g. 1 dargestellten herkömmlichen
Vorrichtung darin, daß er zum Schutz des pnpn-Schalters 1 gegenüber kleinen Änderungen d V/dt
dient. Der Widerstand /?, kann entsprechend einen
hohen Widerstandswert aufweisen. Der Transistor Q]
befindet sich natürlich im stationären Zustand der Schaltvorrichtung im nichtleitenden Zustand, und der
Gatestrom ist durch den Wert des Widerstands R\ bestimmt. Auf diese Weise kann der lichtbetätigte
pnpn-Schalter 1 mit hoher Empfindlichkeit eingeschaltetwerden.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Weiterbildung ist der Kondensator Cdurch eine Diode D ei setzt, die mit dem
Anodengate des lichtbetätigten pnpn-Schalters 1 und der Basis des zum Schutz gegen den dV7df-Effekt
dienenden Transistors Qx verbunden ist, wodurch ein kapazitiver Basisstromkreis erzeugt wird, der dazu
dient, den Transistor Qi lediglich im Übergangszustand
zu triggern, indem die Änderung d V/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 lichtbetäiigten pnpn-Schalter 1 gehörenden pnp-Transistors
gemeinsam verbunden sind und der Kollektor mit der Basis des npn-Transistors Q\ verbunden ist. In
diesem Fall besitzt der Widerstand R2 eine Schutzfunklion.
mit der — zusätzlich zur Hauptfunktion des Abfließends angesammelter Ladung — der Transistor
Q] gehindert wird, im stationären Zustand leitend zu
werden. Parallel zum Widerstand R\ kann ferner ein kapazitives Element vorgesehen werden.
Die in F i g. 4 dargestellte Weiterbildung beruht auf dem gleichen, bereits genannten Prinzip und verwendet
eine komplementäre Anordnung. In F i g. 4 sind der zum Schutz gegen den d V7di-Einfluß vorgesehene Transistor
Q\ sowie das Impedanzelement Ri 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 gelieferten Strom eingeschaltet werden
kann.
Bei der in Fig.5 dargestellten erfindungsgemäßen
Weiterbildung besteht der lichtbetätigte pnpn-Schalter aus der Kombination eines herkömmlichen pnpn-Schalters
3 und eines Phototransistors 4, wobei ein Nebenschlußstromkreis variabler Impedanz mit dem
lichtbetätigten pnpn-Schalter verbunden ist. Aus F i g. 5 geht hervor, daß sogar bei der Kombination eine'
herkömmlichen pnpn-Schalters und des lichtbetätigten Elements zu einem lichtbetätigten pnpn-Schalter die
dV/dt-Toleranz durch einen dem vorbeschriebenen ähnlichen Nebenschlußstromkreis variabler Impedanz
verbessert werden kann.
Die Erfindung gibt also eine verbesserte lichlbetätigte Halbleiter Schaltvorrichtung mit einem lichtbetätigten
pnpn-Schaiter an, deren verbesserte dV/dr-ToIeranz
und hohe Einschaltempfindlichkeit auf dem Umstand beruhen, daß der Nebenschlußstromkreis 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 lichtbetätigten pnpn-Schalters niedrige Impedanz besitzt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter und einem
parallel zu dessen Kathodengate-Kathoden-Strecke liegenden Widerstand, dadurch gekennzeichnet,
daß noch die Kollektor-Emitter-Strekke eines Transistors (Qi) parallel zur Kathodengate-Kathoden-Strecke
des lichtbetätigten pnpn-Schalters (1) liegt und daß die Basis des Transistors (Q\)
durch ein kapazitives Element (C, D) mit der Anode oder dem Anodengate des lichtbetctigten pnpn-Schalters
(1) in der Weise verbunden ist daß der Transistor (Q\) durch den seiner Basis von einer in
üblicher Weise mit der Anode oder dem Anodengate des lichtbetätigten pnpn-Schalters verbundenen
Stromquelle zugeführten Steuerstrom eingeschaltet wird (vergleiche F i g. 2,3).
2. Lichtbetätigte Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem lichtbetätigten pnpn-Schalter und einem
parallel zu dessen Kathodengate-Kathoden-Strecke liegenden Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß
noch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors (Q\) parallel zur Anodengate-Anoden-Strecke
des lichtbetätigten pnpn-Schalters (1) liegt und daß die Basis des Transistors (Q\) durch ein kapazitives
Element fQmit der Kathode oder dem Kathodengate
des lichtbetätigten pnpn-Schalters (1) in der Weise verbunden ist. daß der Transistor (Q\) durch den
seiner Basis von einer in üblicher Weise mit der Kathode oder dem Kathodengate des lichtbetätigten
pnpn-Schalters verbundenen Stromquelle zugeführten Steuerstrom eingeschaltet wird (vergleiche
F i g. 4).
3. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Q\) ein
npn-Transistor ist.
4. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive
Element ein Kondensator (Qist.
5. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive
Element eine Diode (D)is'i.
6. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator
parallel zum Widerstand (Ri) liegt.
7. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (Q\) ein
pnp-Transistor ist.
8. Ha'bleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 3.
dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Basis eines pnp-Transistors mit kleinem Stromverstärkungsfaktor
zusammen mit Emitter und Basis des den pnpn-Schalter (1) bildenden pnp-Transistors
verbunden sind und der Kollektor mit der Basis des npn-TransiMors verbunden ist.
9. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter und Basis
eines npn-Transistors mit kleiner Stromverstärkung fto gemeinsam mit Emitter und Basis des den pnpn-Schalter
(1) bildenden npn-Transistors und der Kollektor mit der Basis des pnp-Transistors
verbunden sind.
10. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein herkömmlicher
Thyristor (3) zusammen mit einem Phototransistor (4). der zwischen der Anode und dem Gate des
Thyristors (3) liegt, als lichtbetätigter pnpn-Schalter (1) verwendet wird.
Applications Claiming Priority (1)
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