DE2624044C2 - Halbleiterschaltkreis zum Schalten von Wechselstromsignalen - Google Patents

Description

gekennzeichnet durch

e) ein erstes und ein zweites Nebenschlußglied (7, T; 13,13'; 14,14'), das jeweils mindestens einen Transistor (Q,, Q,', Q₂, (^aufweist, der mit der Kollektor-Emitter-Strecke zwischen den Kathoden-Steueranschluß einerseits und die Anode oder den Anoden-Steueraiischluß andererseits des ersten bzw. zweiten Thyristors (Th, Th') geschaltet ist,

f) wobei bei jedem Nebenschlußglied (7, 7'; 13, 13'; 14,14') die Basis eines Transistors (Q₂, Q₂') mit dem zweiten Konstantstromglied (Cc 2) verbunden ist ό

2. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1,

— bei dem der erste und der zweite Thyristor eine erste bzw. eine zweite rückwärtssperrende Thyristor-Triode sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Nebenschlußglieder (7, T) jeweils eine erste bzw. eine zweite Reihenschaltung aus einer Diode (D₂; D₂) so und mindestens einem Transistor (Q,, Q₂; Q₁', Q₂') zwischen der Anode und dem Kathoden-Steueranschtuß des ersten bzw. des zweiten rückwärtssperrenden Thyristors aufweisen.

3. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Transistor jeweils ein pnp-Transistor (Q₂; Q₂') ist, dessen Basisanschluß mit dem zweiten Konstantstromglied (Cc 7) verbunden ist.

4. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, μ dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reihenschaltungen jeweils eine Darlington-Schaltung aus einem npn-Transistor (Q₁, Q\') und einem pnp-Transistor (Q₂, Q₂')bei\izen.

5. Halbleiierschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der pnp-Transistoren des ersten und des zweiten Nebenschlußglieds (13, 13') mit dem zweiten Konstantstromglied (Cc₂) über eine dritte bzw. eine vierte Diode (Dj, Dj) verbunden ist,

6. Halbleiterschaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der pnp-Transistoren (Q₂, Q₂') des ersten und des zweiten Nebenschlußglieds (13, 13'; 14, 14') miteinander und mit dem Konstantstromglied (Cc 2) unmittelbar verbunden sind.

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschaltkreis zum Schalten von Wechselstromsignalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen bekannten Halbleiterschaltkreis (vgl. DE-OS 24 43 930) fließt der volle Steuerstrom über die beiden Ansteuerglieder, so daß die zugehörigen Spannungsquellen eine verhältnismäßig hohe Leistung aufbringen müssen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Halbieiterschaltkreis so auszubilden, daß der vom zweiten Konstantstromglied zu liefernde Strom klein sein kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Beispieles eines herkömmlichen Halbleiter-Wechselstrom-Schaltkreises mit antiparallel geschalteten rückwärtssperrenden Thyristor-Trioden,

Fig.2 den Verlauf der Lastspannung und des Laststromes bei der Schaltung nach Fig. 1,

Fig.3 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiter-Wechselstrom-Schaltkreises,

Fig.4 den Verlauf einer Lastspannung und eines Laststromes bei der Schaltung nach F i g. 3,

F i g. 5 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiter-Wechselstrom-Schaltkreises, und

Fig.6 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiter-Wechselstrom-Schaltkreises.

Bevor einzelne Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden, sollen anhand der F i g. 1 und 2 ein herkömmlicher Halbleiter-Wechselstrom-Schaltkreis mit dem Verlauf einer zugeordneten Lastspannung urd eines zugeordneten Laststromes näher erläutert werden.

Wie in der F i g. 1 dargestellt ist, hat der herkömmliche Halbleiter-Wechselstrom-Schaltkreis einen Wechselstrom-Schalter 1 mit antiparallelen rückwärtssperrenden Thyristoren-Trioden Th und Th' zum Leiten eines Wechselstromsignales. Wenn beide Steueranschlüsse der beiden Thyristoren mit einem Strom von einem Ansteuerglied 2 mit einer Spannungsquelle E,, einem Schalter SW,, einem Konstantstromglied Cc\ und Dioden A und D\ angesteuert werden, kann ein Wechselstromsignal durch den Wechselstrom-Schalter fließen. Widerstände RgK und RgK' zwischen den Steueranschlüssen und der Kathode der jeweiligen Thyristoren Th und Th' dienen zum Ausschließen oder Verringern des Geschwindigkeits-Effekts (dv/dt-Ef-

fekts, d.h. der Verringerung der Schaltspannung bei erhöhter Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung in Durchlaß- oder Vorwärts-Richtung), der einem Thyristor eigen ist, wodurch jedoch der Ansteuerstrom und der Selbsthaltestrom für die Thyristoren zunimmt, so daß zusätzliche Ströme durch diese Widerstände RgK und RgK'geleitet werden.

Wenn der Wechselstrom-Schalter 1 z.B. mit einer Signalquelle 3 und einer kapazitiven Last 4 mit einer kapazitiven Komponente Cl und einer ohmschen Komponente Rl verbunden ist und so ein Wechselstromsignal durch den Wechselstrom-Schalter 1 bei dem in F i g. 1 dargestellten Grundschaltungszustand fließt, eilt der Laststrom i(t) um ungefähr π/2 in der Phase der Lastspannung v(t) vor, so daß der Steuerstrom nicht weiter in den Steueranschluß des Thyristors fließen kann, wenn die Ansteuerspannung am Steueranschluß kleiner als der Maximalwert der Lastoder Signalspannung isL Wenn der Thyristor durchgeschaltet ist, ist die Signalspannung, d. h. die Spannung an der Anode des Thyristors, ungefähr gleich der Lastspannung, d. h. der Spannung an der Kathode des Thyristors. Wenn also kein Steuerstrom fließ», fällt der Laststrom plötzlich auf Null ab, sobald er einen Pegel 5 erreicht hat, bei dem der Selbsthaltestrom des Thyristors unterschritten wird, wie dies z. B. für einen Teil 6 des Laststromes i(t) in Fig.2 dargestellt ist. Anschließend nimmt die Last- oder Signalspannung ab, bis der Steuerstrom in den Steueranschluß fließen kann, so daß der Laststrom plötzlich in Rückwärtsrichtung zu fließen beginnt, wie dies in Fig.2 durch das Bezugszeichen 6' angedeutet ist Dies führt zu Unzulänglichkeiten, da nicht nur eine normale Signalübertragung zur Last verhindert wird, sondern auch die plötzliche Änderung im Laststrom Rauschsignale bewirkt

Als Gegenmaßnahme wurde bereits angeregt, die Steueranschluß-Ansteuerspannung größer als den Maximalwert der Signalspannung zu wählen, so daß der Steuerstrom immer fließen kann. Dieses Vorgehen ist jedoch nicht wirtschaftlich, und eine hohe Gleichspannung zur Steueranschluß-Ansteuerung beeinträchtigt oft die Zuverlässigkeit der Bauelemente der Schaltung.

Bei dem aus der DE-OS 24 43 930 bekannten Halbleiterstromschalter wird dieses Problem dadurch gelöst, daß für jede Stromrichtung entweder je ein Thyristor mit Anodensteueranschluä und einer mit Kathodensteueranschluß oder aber ein einziger Thyristor mit Anoden- und Kathodensteueranschluß vorgesehen ist, wobei die Anodensteueranschlüsse und die so Kaihodensteueranschlüsse jeweils an eine Ansteuereinrichtung mit einer Spannungsquelle und einem Konstantstromglied angeschlossen sind.

Dadurch können unabhängig von den Lastbedingungen und der Amplitude oder Größe einer Wechselstromsignal-Spannung Steuerströme fließen, so daß ein Wechselstrom, der sich in positiver und negativer Polarität ändert, durch den Halbleiter-Wechselstrom-Schalter ohne momentane Unterbrechung geleitet wird, selbst wenn die Steuerströme im Absolutwert unter die Selbsthalteströme der Thyristoren abfallen. Da hierbei die vollen Steuerströme über die Ansteuerglieder fließen, müssen deren Spannungsquellen eine verhältnismäßig große Leistung aufbringen.

Anhand der Fig.3 wird ein Halbleiter-Wechselstrom-Schalter entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In der F i g. 3 sind vorgesehen ein Thyristor Schalter 1 mit antiparallelen rückwärtssperrenden Trioden-Thyristoren TTi und Tb' zur Wechselstrom-Übertragung, die mit Widerständen RgKüna RgK'verbunden sind, um den einem Thyristor eigenen Geschwindigkeitseffekt auszuschließen oder zu verringern, ein Ansteuerglied 2 mit zwei Dioden A und A' und einem ersten Konstantstromglied Cc_x zum Ansteuern der jeweiligen Steueranschlüsse der antiparallelen Thyristoren 7Äund 77)'des Thyristor-Schalters 1, eine Signalquelle 3, eine kapazitive Last 4 mit einem kapazitiven Bauelement C_L und einem ohmschen Bauelement Ru ein Nebenschlußglied 7 mit einem npn-Transistor Q\ und einem pnp-Transistor Qi in Darlington-Schaltung und mit einer Diode Di zum Erhöhen der Durchbruchsspannung der Darlingtonschaltung im Sperrzustand in Emitter-Kollektor-Richtung, ein anderes Nebenschlußglied T ähnlich dem Nebenschlußglied 7 mit Transistoren Q\ und Qi in Darlington-Schaltung und mit einer Diode Di und ein Ansteuerglied 8, das ein Konstantstromglied Cci, einen Schalter SWi und eine umgekehrt zur Gleichspannungsquelle £1 gepolte Gleichspannungsqn- ile Ei hat und zum Ansteuern der Transistoren Qi und Qi dirni.

Die F i g. 4 zeigt Signale zum Erläutern des Betriebs des in Fig.3 dargestellten Halbleiter-Wechselstrom-Schalters als Beispiel, wobei ein Laststrom i(t) unter der ungünstigsten Bedingung hinsichtlich einer Lastspannung v(t) ist, d. h. in der Phase um π/2 voreilt. Der zeitliche Verlauf der Signale ist dabei derselbe wie bei dem aus der DE-OS 24 43 930 bekannten Schaltkreis. Jedoch muß das zweite Ansteuergiied nicht den verhältnismäßig großen Steuerstrom für die Thyristoren liefern, sondern nur noch den kleinen Einschaltstrom für das Nebenschlußglied, wie unten näher erläutert wird. In Fig.4 sind minimale Selbsthaltestromwerte 5 (vgl. auch Fig.2) für die jeweiligen antiparallelen Thyristoren 77? und 77?' im Thyristor-Schalter 1 und Bereiche 9,10,11 und 12 eingezeichnet, in denen der Laststrom i(t) im Absolutwert unter den Selbsthaltestrom 5 abfällt und daher eine so nachieilhafte momentane Unterbrechung des Thyristors eintritt, wie dies beim Pegel 5 in Fig.2 dargestellt ist, wenn nichi der Steuerstrom eingespeist wird, wobei zur Vereinfachung der Beschreibung des Betriebs vier Bereiche vorhanden sind.

Da im Bereich 9 zunächst die Lastspannung v(t)\n die Nähe des positiven Maximalwertes kommt, muß eine sehr große oder hohe Ansteuerspannung vorgesehen werden, wenn das Kathoden-Steueranschluß-Ansteuerglied 2 allein zur Einspeisung des Steuerstromes wie beim herkömmlichen Halbleiter-Wechselstrom-Schalter dient. Bei der Schaltung der F i g. 3 schaltet das Ansteuergiied 8 zum Ansteuern der pnp-Transistoren Qi und Qi den pnp-Transistor Qi des Nebenschlußgliedes 7 bei niedriger Spannung ein, so daß dann der npn-Transistor Q\ eingeschaltet wird, um dadurch einen Strom an den Kathoden-Steueranschluß des. zugeordneten Thyristors Th über die Diode D₂ und den npn-Transistor Q\ abzugeben. Das heißt, da der betrachtete Thyristor Th ein hohes positives Potential annimmt, wird sofort ein Strom durch die Diode Di und die Emitter Basis-Strecke des pnp-Transistors Qi zum Ansteuerglied 8 mit der negativen Quelle Ei abgegeben. Demgemäß kann ein Teil des Stromes im Hauptstromweg auf der Anodenseite des betrachteten Thyristors 77i sofort zum Kathoden-Steueranschluß des Thyristors Th über die Diode üi und den npn-Transistor Q\ abgezweigt werden, wodurch der Steueranschluß des Thyristors 77i angesteuert wird, um zu verhindern, daß

der Thyristor Th ausschaltet.

Sodann ist im Bereich 10 die Lastspannung vft) noch nahe beim positiven Maximalwert, während die Richtung des Laststromes /ft/umgekehrt ist. Daher wird der Kathoden-Steueranschluß des Thyristors 77»' mit einem Strom über das Nebenschlußglied T aufgrund des gleichen Prinzips wie für den Bereich 9 versorgt, so daß der Thyristor-Schalter 1 am Ausschalten gehindert ist. Da andererseits die Lastspannung Wt) im Bereich 11 in die Nähe des negativen Maximalwertes kommt, ist es möglich, den Kathoden-Steueranschluß des Thyristors Th' einfach durch das Ansteuerglied 2 mit einer niedrigen Spannung auf die beschriebene Weise anzusteuern. Auf ähnliche Weise kann der Kathoden-Steueranschluß des Thyristors Th einfach im Bereich 12 mit einem Strom bei niedriger Spannung vom Ansteuerglied 2 angesteuert werden. Da an sich eine negative Spannung zum Erregen des Ansteuergliedes 8 und damit zum Ansteuern der pnp-Transistoren O> und Q₂ in diesen Bereichen 11 und 12 mit einem Spannungswert benötigt wird, der größer ist als der absolute Mindestwert der Spannung Wt) kann bei einer Übertragung eines sich in positiver und negativer Polarität ändernden Wechselstromsignales (vgl. Fig.4) die Ansteuerung aber mit niedriger Spannung erzielt werden, indem das herkömmliche Ansteuerglied 2 durch das Transistor-Ansteuerglied 8 ergänzt wird, das den Nebenschlußgliedern 7 und T zugeordnet ist. Während oben der Halbleiter-Wechselstrom-Schalter für einen Fall erläutert wurde, in dem z. B. eine kapazitive Last als Last angeschlossen ist, kann eine kleine Ansteuerspannung aufgrund der Erfindung bei jeder Last angelegt werden, z. B. bei einer induktiven Last, bei der der Laststrom in der Phase nacheilt.

Die F i g. 5 zeigt ein zweites Alisführungsbeispiel der Erfindung. In dieser Figur sind vorgesehen ein Thyristor-Schalter 1 mit antiparallelen rückwärtssperrenden Thyristortetroden Th und Th' zur Wechselstrom-Übertragung, die mit Widerständen RgK und ^/('gekoppelt sind, um den Geschwindigkeitseffekt zu verringern, ein Ansteuerglied 2. das zwei Dioden Di und D\ und eine Konstantstromquelle Cn aufweist und zum Ansteuern der Kathoden-Steueranschlüsse der antiparallelen rückwärtssperrenden Thyristortetroden Th und Th' im Thyristor-Schalter 1 dient, eine Signalquelle 3. eine kapazitive Last 4 mit einem kapazitiven Bauelement Ci. und einem ohmschen Bauelement Ri., Nebenschlußglieder 13 und 13' jeweils mit pnp-Transistoren Q₂ und Q₂ und ein Ansteuerglied 8'. das zwei Dioden Dj und Dj' sowie eine Konstantstromquelle Cc₂ hat und zur Ansteuerung der Transistoren Qi und Q> dient.

Zum Betrieb der Schaltung der F i g. 5 sei grundsätzlich auf die Erläuterung von F i g. 3 verwiesen. Anhand der Fig.6 wird ein drittes Ausführungsbei spiel der Erfindung erläutert, bei dem Nebenschlußglie der 14 und 14' jeweils pnp- und npn-Transistoren Q₂ und Q\ in Darlington-Schaltung und auf ähnliche Weise pnp- und npn-Transistoren Qi bzw. Q₁' in Darlington-Schaltung aufweisen, die für eine integrierte Schaltung geeignet sind. In integrierten Halbleiterschaltungen werden insbesondere allgemein pnp-Lateraltransistoren verwendet, von denen jeder eine große Basis-Emitter-Durchschlagfestigkeit oder Durchbruchsspannung, eine große Basis-Kollektor-Durchschlagfestigkeit sowie eine kleine Stromverstärkung hat. Wenn demgemäß (vgl. F i g. 6) der pnp-Transistor Qi mit dem npn-Transistor Q\ oder der pnp-Transistor Qi mit dem npn-Transistor Q\' zusammengefaßt wird, die zu einer großen Stromverstärkung neigen, ist es möglich, den Ansteuerstrom für den pnp-Transistor Q₂ oder Q₁' möglichst klein zu machen. Der pnp-Lateraltransistor Qi oder Q₂ dient zum Erzeugen einer ausreichenden Durchschlagfestigkeit, so daß die Dioden D₃ und Dj' nicht erforderlich sind, die beim Ausführungsbeispiel der F i g. 5 vorgesehen sind. Mit dieser Schaltung wird in Fig. 3 verhindert, daß der Thyristor-Schalter 1 in den Bereichen 9 und 10 (vgl. F i g. 4) ausschaltet, indem das Nebenschlußglied 14 mit dem pnp- und dem npn-Transistor Qi bzw. Qi oder das Nebenschlußglied 14' mit dem

}■> pnp- und dem npn-Transistor Q₂ bzw. Q₁' mittels des Ansteuergliedes 8 angesteuert wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß das zweite und dritte Ausführungsbeispiel (vgl. F i g. 5 und 6) besonders vorteilhaft sind, da der Anoden-Steueranschluß und der Kathoden-Steueranschluß beide zur Erhöhung der Empfindlichkeit angesteuert werden. Der Schalter SWi für das Kathoden-Steueranschluß-Ansteuerglied 2 und der Schalter SW₂ für das Ansteuerglied 8 oder 8' zum Ansteuern der pnp-Transistoren Qi und Qi (vgl. F i g. 3,

5 oder 6) können gleichzeitig während der Übertragung eines Wechselstromsignales geschlossen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 Patentansprüche;

1. Halbleiterschaltkreis zum Schalten von Wechselstromsignalen

a) mit zwei als Wechselstromschalter dienenden antiparallel geschalteten Thyristor-Trioden oder Thyristor-Tetroden,

b) mit einem ersten Ansteuerglied, das eine erste Spannungsquelle, in Serie dazu geschaltet ein ι ο erstes Konstantstromglied und zwei Dioden aufweist, wobei das Konstantstromglied über jeweils eine der Dioden mit den Kathoden-Steueranschlüssen der Thyristoren verbunden ist,

c) mit einem zweiten Ansteuerglied, das eine zweite Spannungsquelle und in Serie dazu geschaltet ein zweites Konstantstromglied aufweist,

d) wobei die Ansteuerglieder so mit den Thyristoren verbunden sind, daß im Einschaltzustand des Schalters die Steuerströme in den Thyristoren unabhängig von den Lastbedingungen und der Amplitude des Wechselstromsignals fließen können,