DE2631474A1 - Halbleiter-schalteinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schalteinrichtung mit wenigstens einem Vierpol-pnpn-Schalter, der für eine Fernsprechvermittlungsanlage o.dgl. verwendet wird und ein kontinuierliches Gleichstrom- oder Wechselstromsignal leiten kann.

Bei einer herkömmlichen Halbleiter-Schalteinrichtung mit Vierpol-pnpn-Schaltern zum Schalten von Wechselstromsignalen besteht ein Zweirichtungsschalter aus zwei antiparallel geschalteten pnpn-Schaltern, so daß durch Einspeisen eines Stromes von einem Ansteuerglied in die Kathoden-Steueranschlüsse der pnpn-Schalter ein Signal geleitet wird. Eine derartige Halbleiter-Schalteinrichtung hat den Nachteil, daß bei Durchgang des Wechselstromsignales die Spannung des Ansteuergliedes den Maximalwert der Signalspannung abhängig von der angeschlossenen Last überschreiten muß.

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Hm diesen -rachte.il zu vermeiden, wurde bereits eine flalbleiter-Schalteinrichtung erwogen,, bei der zwei Yierpol-pnpn-Schalter mit jeweils einem Kathoden-Steueranschluß und einem Anoden-Steueranschluß antiparallel geschaltet sind, um einen Zweirichtungsschalter zu bilden. Der Kathoden-Steueranschluß jedes den Zweirichtungsschalter bildenden Vierpol-pnpn-Schalters ist mit einem Kathoden-Steueranschluß-Ansteuerglied mit einer positiven Stromquelle verbunden,, um Strom in den Kathoden-Steueranschluß zu speisen, während der Anoden-Steueranschluß jedes Vierpol-pnpn-Schalters mit einem Anoden-Steueranschluß-Ansteuerglied mit einer negativen Stromquelle verbunden ist, um Strom aus dem Anoden-Steueranschluß zu ziehen. Es wird ein kontinuierlicher Steuerstrom mit kleiner Ansteuerspannung unabhängig von der Amplitude der Signalspannung erhalten. Selbst wenn der Signal-Wechselstrom unter einen Selbsthaltestromwert der pnpn-Schalter verringert wird, wird der Signal-Wechselstrom ohne jede kurzzeitige Unterbrechung durch die Halbleiter-Schalteinrichtung geleitet.

Diese Halbleiter-Schalteinrichtung ist insoweit unwirtschaftlich, als zwei Stromquellen, nämlich eine positive und eine negative, verwendet werden. Ein anderer Nachteil liegt im kontinuierlichen Energieverbrauch durch die Steuerglieder.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaftliche Halbleiter-Schalfceinrichtung mit wenigstens einem pnpn-Schalter anzugeben, der den Kathoden-Steueranschluß und den Anoden-Steueranschluß mit einer einzigen Stromquelle ansteuern kann; dabei sollen ein Kathoden-Steueranschluß-Ansteuerglied und ein Anoden-Steueranschluß-An-

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steuerglied betriebsmäßig automatisch zueinander abhängig vom Potential der pnpn-Schalter umgeschaltet werden, wodurch der Energieverbrauch herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein erstes Ansteuerglied zum Einspeisen eines Stromes in den Kathoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters, ein zweites Ansteuerglied zum Ziehen eines Stromes aus dem Anoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters, wobei eines der beiden Ansteuerglieder eine Stromquelle aufweist, und einen Umschalter zwischen dem ersten Ansteuerglied und dem zweiten Ansteuerglied, um einen Strompfad eines Ansteuerstromes vom Ansteuerglied mit der Stromquelle zu einem aus dem Kathoden-Steueranschluß und dem Anoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters oder dem Ansteuerglied ohne Stromquelle abhängig vom Potential des pnpn-Schalters zu wählen.

Ein Halbleiter-Schalter besteht erfindungsgemäß also aus wenigstens einem Vierpol-pnpn-Schalter. Der Kathoden-Steueranschluß und der Anoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters sind mit einem stromspeisenden Konstantstromglied mit einer Stromquelle zum Einspeisen eines Stromes in den Kathoden-Steueranschluß und mit einem stromziehenden Konstantstromglied ohne Stromquelle verbunden, um jeweils Strom aus dem Anoden-Steueranschluß zu ziehen. Ein Umschalter liegt zwischen beiden Konstantstromgliedern, um automatisch einen Strompfad für den Ansteuerstrom vom stromspeisenden Konstantstromglied zum Kathoden-Steueranschluß oder zum Anoden-Steueranschluß oder vom stromziehenden Konstantstromglied abhängig vom elektrischen Potential des pnpn-Schalters zu wählen. Die aus dem Vierpol-pnpn-Schalter bestehende Halbleiter-Schalteinrichtung

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kann so wirtschaftlich mit einer einzigen Stromquelle ohne jeden unnötigen Energieverbrauch gesteuert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bereits erwogenen Halbleiter-Schalteinrichtung mit Vierpol-pnpn-Schaltern, von der die Erfindung ausgeht und die auf Überlegungen der gleichen Erfinder beruht,

Fig. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Sehalteinrichtung, und

Fig. ~5 bis 5 Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung.

Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden, wird zunächst anhand der Fig. 1 auf die bereits erwogene Halbleiter-Schalteinrichtung näher eingegangen.

Die in Fig. 1 dargestellte Halbleiter-Schalteinrichtung hat einen Zweirichtungsschalter mit zwei Vierpol-pnpn-Schaltern, die Kathoden-Steueranschlüsse G„, GV und Anoden-Steueranschlüsse G-., G'„ aufweisen und antiparallel geschaltet sind. Dieser Zweirichtungsschalter ist mit einem stromspeisenden Konstantstromglied mit einer positiven Stromquelle als Kathoden-Steueranschluß-Ansteuerglied 2 und ebenfalls mit einem stromziehenden Konstantstrom-Ansteuerglied mit einer negativen Stromquelle verbunden, wie mit einem

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Anoden-Steueranschluß-Ansteuerglied J. Ein Steuerstrom fließt so mit einer geringen Ansteuerspannung unabhängig von dem durch das Hauptsignal verursachten Potential der pnpn-Schalter 1 und l'. Dennoch ist diese Halbleiter-Schalteinrichtung wegen der beiden vorgesehenen Stromquellen unwirtschaftlich. Weiterhin verbrauchen die beiden Steuerglieder immer Energie. Tatsächlich reicht es jedoch aus> wenn ein Steuerstrom während einer Zeit lediglich in einem der Steuerglieder fließt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Pig. 2 dargestellt. Vierpol-pnpn-Schalter 1 und 1' haben Kathoden-Steueranschlüsse G_T, und G'_T, und Anoden-Steueranschlüsse G...-G¹.. Weiterhin ist ein stromspeisendes Konstantstromglied 2 aus einem pnp-Transistor Q,, aus einer Konstantspannungsdiode D₂,., aus Widerständen R₁, iU, aus einer Stromquelle E, und aus einem Schalter SW vorgesehen. Ein stromziehendes Konstantstromglied 3 hat einen Transistor Q₂ und einen Widerstand R-*. Ein Glied k zum Unterbrechen eines Sperrstromes und automatischen Wählen der Anoden-Steueranschluß-Ansteuerung und der Kathoden-Steueranschluß-Ansteuerung abhängig vom Potential des pnpn-Schalters 1 hat Dioden D₁,. D'^ und D₂. Weiterhin sind Dioden D^ und D'-,, die einen Sperrstrom unterbrechen, eine Signalquelle und eine kapazitive Last 6 vorgesehen. Wenn bei dieser Schalteinrichtung das Potential der Kathode des pnpn-Schalters 1 oder I' negativ ist, wird die entsprechende Diode D, oder D'₁ eingeschaltet, so daß Strom vom stromspeisenden Konstantstromglied 2 in den entsprechenden Kathoden-Steueranschluß G_jr und G¹,, des entsprechenden pnpn-Schalters 1 und 1' fließt. Unter dieser Bedingung hängt der Emitterstrom des pnp-Transistors Q₁ von der

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Konstantspannungsdiode D^ und dem Widerstand R₁ ab. Wenn der Stromverstärkungsfaktor des pnp-Transistors Q-, ausreichend groß ist, ist der Emitterstrom nahezu gleich, dem Kollektorstrom, und daher ist der Kathoden-Ansteuerstrom, der der Kollektorstrom des pnp-Transistors Q₁ ist, ein konstanter Strom, der im wesentlichen durch die Konstantspannungsdiode D₂, und den Widerstand R₁ bestimmt ist. D. h., der Kathoden-Ansteuerstrom I„„ beträgt näherungsweise

mit Vk ⁼ Konstantspannungswert der Diode Du,

'3EQ.. = Basis-Emitter-Durchlaßspannung (ungefähr 0,7 V) des Transistors Q,, und

⁰^Q₁ = Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q₁ bei geerdeter Basis.

Es sei angenommen, daß V^ & ^VRE0 ^und "^Q in Gleichung (1) betragen; dann gilt:

^ Rf (2),

Andererseits ist die Diode D₂ ausgeschaltet, und daher ist das stromziehende Konstantstromglied 3 nicht erregt, so daß keine Energie durch dieses als Anoden-steuer-Ansteuerglied verbraucht wird. Wenn das Potential der Kathoden der pnpn-Schalter 1 und 1' dagegen positiv ist, ist die Diode D₂ eingeschaltet, während die Dioden. D-, und D^!, ausgeschaltet sind. Der Kathoden-Steueranschluß G._r und auch nicht G'„ ist angesteuert, so daß der κ κ

Strom vom stromspeisenden Konstantstromglied 2 in das stromziehende Konstantstromglied 3 über die Diode D₂ fließt.

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Als Ergebnis werden die Anoden-Steueranschlüsse G. und G' der pnpn-Schalter X und l^f angesteuert.

Unter dieser Bedingung ist der Anoden-Steueranschluß-Ansteuerstrom durch den in Gleichung (1) angegebenen Kathoden-Steueranschluß-Ansteuer-Konstantstrom I™, den Widerstand IU und den Stromverstarkgungsfaktor des Transistors Q₂ bei geerdetem Emitter bestimmt.

Durch Näherungsrechnung ist der Anoden-Steueranschluß-Ansteuerstrom I_GA gegeben durch:

^VBEQ₂
¹GA ^ ^¹GK ~ ~Ίΰ ) *"q₂ ^

mit VggQ = Basis-Emitter-Durchlaßspannung (ungefähr 0,7 V des Transistors Q , und

„ = Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q₀ bei geerdetem Emitter.

Auf diese Weise werden der Kathoden-Steueranschluß G^. und der Anoden-Steueranschluß G. jeweils angesteuert, wenn das Potential des pnpn-Schalters 1 negativ und positiv ist, so daß keine Hochspannung über die Ansteuer-Stromquelle E.. erforderlich ist.

Die Schaltungsanordnung des stromspeisenden Konstantstromgliedes 2 und des stromziehenden Konstantstromgliedes 3 sind nicht auf das Beispiel der Fig. 2 beschränkt. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist z.B. vorzugsweise für integrierte Halbleiterschaltungen geeignet.

Bei der Schalteinrichtung der Fig. 3 liegen zwei

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Vierpol-pnpn-Schalter antiparallel, obwohl lediglich ein derartiger Schalter zur Vereinfachung der Zeichnung dargestellt ist. Die Kathoden-Steueranschlüsse dieser Schalter sind mit den Dioden D₁ und D^ verbunden, deren Anoden ihrerseits auf die gleiche V/eise wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 miteinander verbunden sind. Das gleiche gilt für die Ausführungsbeispiele der Fig. ^ und 5. Wenn dieses Ansteuerglied integriert ist, wird vorzugsweise ein lateraler pnp-Transistor verwendet, so daß es unmöglich ist, einen großen Stromverstärkungsfaktor 0i.„ zu erhalten. In einem derartigen Fall können der pnp-Transistor Q₁ und der npn-Transistor Q, in Darlington-Schaltung angeschlossen sein (vgl. Fig. 3)> um den gleichwertigen Stromverstärkungsfaktor zu erhöhen, wodurch die Änderung im Steueranschluß-Ansteuerstrom verringert wird, die sonst auf der Änderung im Stromverstärkungsfaktor beruht. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, liegt vorzugsweise ein Widerstand R__v zwischen dem Kathoden-Steueranschluß G„ und der Kathode K, um den Gesehwindigkeits- oder Rate-Effekt (dv/dt-Effekt) zu verhindern, wodurch der pnpn-Schalter 1 fehlerhaft abhängig von einer transienten Spannung zwischen dessen Anode A und dessen Kathode K eingeschaltet wird. Bei dieser Schaltung ist die Kathoden-Steuerempfindlichkeit (kleinster Zündstrom) ungefähr gegeben durch ^v _gk/^r _gkj mit V_QK = Steuerkathoden-Vorwärts- oder Durchlaßspannung (ungefähr 0,7"V). In diesem Fall ist es unter Ausnutzung der Durchlaß-Kennlinien der Dioden O₁- und Dg (Fig. 3) anstelle der Konstantspannungsdiode D^ (Fig. 2) möglich, die Änderung im Durchlaßspannungsabfall am pn-übergang und am Widerstand sowie die Änderung in der Steuerempfindlichkeit aufgrund Temperatureigenschaften zu kompensieren. Dadurch ist I_r„ nahezu gleich VpZR₁. Wie aus dieser Gleichung folgt, kann

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der Kathoden-Steueranschluß-Ansteuers-troBi l„_tr, ähnlieh der Steuerempfindliehkeit, als Verhältnis des Durchlaßspannungsabfalles V₁-, (ungefähr 0,7 V) am pn-übergang zum ViI-derstandswe'r't ausgedrückt· werden. ■ Dies bedeutet die ■ Möglichkeit'"'einer-Kompensation für die Abweichung der -Steuerempfindllchkelt und des "Ans teuer stromes- im Hinblick auf- . die Tatsache, daß, obwohl eine integrierte Halbleiterschaltung im allgemeinen eine Mnderung Im Absolutwert des Widerstandes von 20 bis JO % aufweist und der relative Widerstandswert Int gleichen Halbleiterkörper -einer änderung von weniger als' 5 "?£ unterworfen Ist, ..sich- -der Burchlaßspannungsabfall V-, im pn-übergang wenig ändert, die jeweiligen Widerstände R₁ bzw. "^W- öen gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen und der Jeweilige Durchlaßspannungs abfall V„_T> und V™ den. gleichen Temperaturkoeffizienten hat.

Was andererseits das stromziehende Konstantstromglied anbelangt, 1st die Schaltung der Fig. 2· so aufgebaut, daß eine Änderung des stromverstärkungsfaktors des npn-Transistors Q₂ eine Änderung des Anoden-Steuerstromes bewirkt. , Bei der Schaltung der PIg. 5 hängt Jedoch der Stromwert von den Dioden'Oj und Do und dem, Widerstand Ru ab, und ■ daher Ist es möglich, eine-Ansteuerung des.Anoden-Steueranschlusses mit einem stabilen Strom-zu bewirken. Abhängig vom Schaltungsmuster der integrierten Halbleiterschaltung kann ein Multiemitter-Translstor als npn-Translstor Q_ verwendet werden,- so daß- die Dioden· D, 'und' D₂,- mit- dessen je,-weiligen Emittern zur Durchführung einer ähnlichen Sehaltoperation· verbunden sind. Weiterhin können die Dioden D₁ . und D₂ In Kaskade in mehreren Stufen angeordnet sein, wenn ihre sperrstromunterbrechende Funktion eine hohe Durchbruchsspannung erfordert. Im Gegensatz, zu. diesem Ausführungsbeispiel mit einer positiven Stromquelle ist eine

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komplementäre Schalteinrichtung mit einer negativen Stromquelle E₂ möglich""'vgl. Fig. 4).

Die Fig. 5 zeigt eine Schalteinrichtung, die ähnlich. dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 zur Integration der Schaltung der Fig. 4 geeignet ist. Bei dieser Schalteinrichtung verwenden die Konstantspannungsabschnitte eier Konstantstromglieder 2 und j5 den Dürchlaßspannungsabfall in den Dioden D^, Dg und D~, Dg, um Änderungen in der Steuerempfindlichkeit und im Ansteuerstrom aufgrund einer Widerstandsänderung, einer Fertigungsänderung der Konstantspannungsdioden und Tempera turäiiderungen zu kompensieren. Weiterhin kann der Umschalter 4 aus einem lateralen pnp-Transistor Q^ bestehen, der zur integration verwendet wird. Dieser laterale npn-Transistor Q-, ist gleichwertig zwei im gleichen isolierten Bereich einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildeten Dioden und ist wirtschaftlicher als zwei in verschiedenen isolierten Bereichen vorgesehenen Dioden, da der Raumbedarf geringer ist. Wenn bei der oben erläuterten bevorzugten Schalteinrichtung das Potential des pnpn-Schäl.ters 1 positiv ist, wird der Anoden-Steueranschluß G. angesteuert, und der Transistor Q^₅ des Umschalters 4 tritt in einen umgekehrten Betrieb ein, bei dem dessen Emitter-Basis-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist. Als-Ergebnis ist das stromeinspeisende Konstantstromglied 2 ausgeschaltet. ¥enn andererseits das Potential des pnpn-Schalters 1 negativ ist, tritt der Transistor Q., des Umschalters 4 in einen Durchlaßbetrieb ein, bei dem dessen Kollektor-Basis-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist. Als Ergebnis ist der Kathoden-Steueranschluß G^. angesteuert, während ein Sperrstrom durch den Transistor Q^ in den Anoden-Steueransehluß G. fließt. Dieser Sperrstrom ist nahezu, vernach-

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lässigiaar, da der Stromverstärkungsfaktor des lateralen pnp-Transistors Q-, leicht verringerbar ist.

Das stromspeisende Konstantstromglied 2 ist erfindungsgemäß entsprechend den obigen Erläuterungen mit dem stromziehenden Konstantstromglied 3 durch einen Umschalter zum automatischen Umschalten entsprechend dem Potential des pnpn-Schalters 1 verbunden, wodurch eine wirtschaftliche Halbleiter-Schalteinrichtung mit Vierpolpnpn-Schaltern erhalten wird, die mit einer einzigen Stromquelle und geringem Energieverbrauch arbeitet.

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Claims (5)

Ansprüche

1. Halbleiter-Schalteinrichtung mit mindestens einem Vierpol-pnpn-Schalter einschließlich eines Kathoden-Steueranschlusses und eines Anoden-Steueranschlusses,

gekennzeichnet durch

ein erstes Ansteuerglied (2) zum Einspeisen eines Stromes in den Kathoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters (1, 1')

ein zweites Ansteuerglied (3) zum Ziehen eines Stromes aus dem Anoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters (1, -1'),

wobei eines der beiden Ansteuerglieder (2, 3) eine Stromquelle (E,) aufweist, und

einen Umschalter (4) zwischen dem ersten Ansteuerglied (2) und dem zweiten Ansteuerglied (3), um einen Strompfad eines Ansteuerstromes vom Ansteuerglied (2) mit der Stromquelle (E,) zu einem aus dem Kathoden-Steueranschluß und dem Anoden-Steueranschluß des pnpn-Schalters (1, 1') oder dem Ansteuerglied (3) ohne Stromquelle abhängig vom Potential des pnpn-Schalters (1, 1') zu wählen (Fig. 2).

2. Halbleiter-Schalteinrichtung mit einem Zweirichtungsschalter einschließlich zwei antiparallel geschalteten Vierpol-pnpn-Schaltern, von denen jeder einen Kathoden-Steueranschluß und einen Anoden-Steueranschluß aufweist,

gekennzeichnet durch

ein erstes Ansteuerglied (2) zum Einspeisen eines Stromes in die Kathoden-Steueranschlüsse des Zweirichtungsschal-

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ein zweites Ansteuerglied (3) zum Ziehen eines stromes aus den Anoden-Steueranschlüssen des Zweirichtungsschalters, wobei das erste Ansteuerglied (2). "oder das zweite Ansteuerglied (3) eine Stromquelle (E*) aufweist, una

einen Umschalter (4) zwischen dem ersten Ansteuerglied (2) und dem zweiten Ansteuerglied (3) _s um einen Strompfad eines Ansteuerstromes vom.. Ansteuerglied (2) mit der Stromquelle (E,) zu einem der Kathoden-Steueranschlüsse und der Anoden-Steueranschlüsse des Zvieirichtungsschalters oder dem Ansteuerglied (3) ohne Stromquelle abhängig vom Potential des Zweirichtungsschalters zu wählen (Fig. 2).

3. Halbleiter-Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (4) wenigstens zwei Dioden (D,., B' ) aufweist,., deren gleichpolige Elektroden miteinander verbunden sind (Fig.. 2).

4. Halbleiter-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (4) einen pnp-Transistor (Q₂) aufweist (Fig. 5).

5. Halbleiter-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,. daß das erste Ansteuerglied (2) und das zweite Ansteuerglied (3) je ein Konstantstromglied (Di₊) aufweisen.. .

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