DE2718696A1

DE2718696A1 - Halbleiterschalterkreis

Info

Publication number: DE2718696A1
Application number: DE19772718696
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Kawanami; Ichiro Ohhinata; Shinzi Okuhara; Michio Tokunaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1977-11-03
Also published as: AU499996B2; DE2718696B2; DE2718696C3; AU2461477A; JPS52131449A; JPS565098B2; CA1098978A; US4125787A

Description

Halbleiter3chalterkreis

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterschalterkreis mit einem PNPN-Schalter, der den Steuerelektrodenausschaltvorgang mit geringer Leistung als ein Schaltelement für eine Steuereinrichtung ermöglicht und sowohl große als auch kleine Lastströme steuern kann.

Ein PNPM-Schalter mit einer Steuerelektrode oder einem Steueranschluß wird für verschiedene Steuerkreise wegen seiner Vorteile verwendet, daß sich ein großer Strom mit einem kleinen Steuerelektroden-Ansteuerstrom

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steuern läßt, daß er eine Selbsthalteeignung hat und daß er in beiden Richtungen hohe Durchbruchspannung besitzt. Der PNPN-Schalter mit der Selbsthalteeignung kann entweder durch Abschalten des Laststromes oder durch Anlegen eines negativen Stroms an die Steuerelektrode ausgeschaltet werden. Allgemein wird die erstere Methode angewandt. Der Steuerelektrodenausschalt-Thyristor (GTOSCR) ist dagegen ausgelegt, die Anwendung der letzteren Methode zu erleichtern. Der Ausschaltverstärkungsgrad G~„„ (das Verhältnis

Ur r

zwischen dem Laststrom und dem zu dessen Abschalten erforderlichen Strom) des genannten Thyristors ergibt sich als Gqpp = ^x?/^ '-*ί ^{+ A}p ~ *) ^f"^{r eine} ^-Steuerelektrode, wo (X₁ den Stromdurchlaßfaktor des PNP-Teils des PNPN-Vierschichtaufbaues und uc_? den Stromdurchlaß faktor dessen NPN-Teils bedeuten. Wenn der Wert von G~„„ zu steigern

Ur r

ist, ist es erforderlich, daß λ~ so groß wie möglich ist und daß der Wert (c* . + cy._) etwas größer als 1 ist. Wegen dieser Notwendigkeit der Minimalisierung des Stromdurchlaßfaktors OC₁ des PNP-Teils und der MaximalisLerung des Stromdurchlaßfaktors o6₂ des NPN-Teils des genannten Thyristors ist es nötig, Gold selektiv nur in dessen N-Basisschicht einzudiffundieren.

Weiter verursacht, wenn der seitliche oder Laterial-Widerstand der Steuerelektrodenschicht (P-Steuerelektrodenschicht) groß ist, der Spannungsabfall über diesen Widerstand eine Vorwärtsvorspannung, die sich automatisch zwischen der Steuerelektrode und der Kathode einstellt. Um einen großen Laststrom zu unterbrechen, ist ein sehr großer negativer Strom abzuleiten, was zum Erfordernis einer großen Steuerleistung führt. Daher ergibt sich das Problem, daß es, um diesen Widerstand möglichst gering zu machen, nötig ist, der Steuerelektrode eine besondere Gestalt, wie z. B. Ring- oder Kammform, zu geben.

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- r-

Der Halbleitschalterkreis, der berejts von den Erfindern als Schaltungsanordnung mit der Eignung zum Abschalten eines großen Laststroms ohne Verwendung eines solchen genannten Thyristors vorgeschlagen wurde, verwendet einen gewöhnlichen PNPN-Schalter mit niedrigem Widerstand der Steuerelektrodenpcnicht, der einen Steuerelektrodenausscha]tvorgang mit geringer Leistung ermöglicht, jedoch nicht zur Verwendung mit geringem Laststrom geeignet ist. Diese bekannte Schaltungsanordnung soll jm einzelnen spätnr erläutert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterschalterkreis zu entwickeln, der einen Steuerelektrodenausschaltvorgang mit geringer Leistung ermöglicht, wodurch ein großer Laststrom mit geringer Leistung unter Verwendung eines gewöhnlichen PNPN-Schalters abgeschaltet werden kann, der außerdem eine große dv/dt-Festigkeit hat und zur Verwendung im Fall ejnee kleinen Laststroms geeignet ist, der weiter unter Verwendung des gewöhnlichen PNPN-Schalters einen Hochgeschwindigkeits-Steuerelektrodenausschaltvorgang zuläßt und der schließlich eine hohe Steuerelektrodenzündempfindlichkeit und eine hohe Durchbruchspannung in beiden Richtungen aufweist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Halbleiterschalterkreis mit einem PNPN-Schalter eines PNPN-Halbleiter-Vierschlchtaufbaues, einem Laststromteilerkreis mit einem so angeschlossenen Transistor, daß ein Teil des durch den PNPN-Schalter fließenden Laststroms in die Basis des Transistors fließt und der restliche Laststrom als Kollektorstrom dieses Transistors fließt, und einem Variabelimpedanz-Bypasskreis mit wenigstens einem so angeschlossenen Schaltelement, daß wenigstens zwei der PNPN-Übergänge einschließlich eines PN-Überganges neben einem Ende des PNPN-Schalters und des Basis-Emitter-Über-

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ganges des Transistors des Laststromteilerkreises kurzgeschlossen sind, welches Schaltelement einen so angeschlossenen Steueranschluß hat, daß ein Teil des Laststroms durch ein kapazitives Element geteilt wird.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm einer Schaltskizze des bekannten Halbleiterschalterkreises;

Fig. 2 eine Schaltskizze eines ersten Ausführungsbeispiels des Halbleiterschalterkreises gemäß der Erfindung; und

Fig. J>, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 Schaltskizzen eines zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten und achten AusfUhrungsbeispiels des Halbleiterschalterkreises gemäß der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst der herkömmliche Halbleiterschalterkreis gemäß Fig. 1, der von den Erfindern bereits vorgeschlagen wurde, im einzelnen erläutert werden. Dieser Kreis verwendet einen PNPN-Schalter S, der äquivalent durch Transistoren Q₁ und Q₂ dargestellt ist, und einen Transistor Qj,. Der Teil des Laststroms, der im PNPN-Schalter S fließt, fließt in die Basis des Transistors Q^, während der größte Teil des Laststroms durch den Kollektor des Transistors Q^, fließt. Dieser Kreis ist jedoch aus folgenden Gründen zur Verwendung mit einem kleinen Laststrom nicht geeignet.

Es wird angenommen, daß der Emitterschaltungs-Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q₂^ als

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gegeben wird. Die Beziehung zwischen dem Laststrom I_Q und dem im PNPN-Schalter S unter der Selbsthaltbedingung fließende Strom I, wird ausgedrückt als

¹C

Dies zeigt, daß der im PNPN-Schalter S fließende Strom umso kleiner ist, je größer der Stromverstärkungsfaktor hpgQK des Transistors Q, ist, und so wird der Steuerelektrodenausschaltvorgang erleichtert. Vom Standpunkt der Selbsthalteeignung dieses Kreises ergibt sich der minimale Selbsthaltelaststrom, der sowohl durch den PNPN-Schalter als auch den Transistor Q^ fließt, als

¹OHMIN ^{= 1}IHMIN^^{1 + h}FEoV ^'

worin I_1HMIN ^{der Minimalselbstnaltestrom des} PNPN-Schalters selbst ist. Man ersieht aus der obigen Gleichung (2), daß der Minimalselbsthaltelaststrom umso größer ist, je größer der Stromverstärkungsfaktor hp_E ^ ist. Daher muß, wenn man wünscht, daß der Schalterkeis auch mit einem kleinen Laststrom verwendet werden soll, der Minimalselbsthaltestrom ¹IHMIN ^{des p}NPN-Schalters S selbst klein sein. Nichtdestoweniger wird der PNPN-Schalter S vom dv/dt-Effekt (Rate-Effekt) begleitet, unter welchem, wenn eine Ausgleichsspannung dv/dt zwischen der Anode A und der Kathode K angelegt wird, der durch die PN-Übergangskapazität fließende Verdrängungsstrom die Form eines Steuerelektrodenstroms annimmt, wodurch der Schaltkreis irrtümlich ausgeschaltet wird. Um diese Erscheinung zu verhindern, wird allgemein ein Bypasswiderstand R₁ zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K des PNPN-Schalters S eingeschaltet, was zu den Nachteilen führt, daß die Steuerelektroden-Zündempfindlichkeit und ein größererSelbst-

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haltestrom wachsen. Mit anderen Worten ergibt sich der Minimalselbsthaltestrom als

IHMIN

worin λ , den Stromdurchlaßfaktor des PNP-Transistors Q. des PNPN-Schalters S und Vgg_a2 eine Spannung in der Vorwärtsrichtung zwischen der Basis und dem Emitter des NPN-Transistors Q_? bedeuten, wenn der PNPN-Schalter eingeschaltet wird. Wenn der Wert des Widerstandes R^ verringert wird, um das irrtümliche Ausschalten des PNPN-Schalters bei Anlegen eines großen Ausgleichsspannungswertes von dv/dt zu vermeiden, wird der Minimalselbsthaltestrom ¹IHMIN ^unerw^^nscht erhöht.

Aus diesem Grund ist der Halbleiterschaltkreis nach Fig. 1 zur Verwendung mit einem geringen Laststrom nicht geeignet.

Es wird nun auf Fig. 2 verwiesen, die ein Äquivalentschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. Man erkennt PNP- und NPN-Transistoren Q bzw. Q^, die einen PNPN-Schalter S bilden, einen Laststromteilertransistor Q₂,, einen Transistor Q, zur Bildung eines Variabelimpedanz-Bypasskreises zum Rate-Effekt-Schutz und Steuerelektrodenausschaltvorgang und einen Kondensator C zum Liefern des Basisstroms zur Zeit des Anliegens einer Ausgleichsspannung zur Ermöglichung des Rate-Effekt-Schutzes durch den Transistor Q-..

Wenn dieser Kreis unter normalen Bedingungen eingeschalten gehalten wird, wird kein Basisstrom durch den Kondensator C zum Transistor Q, geliefert. Der Transistor Q, wird so ausgeschaltet gehalten, und die Impedanz zwi-

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sehen dem Kollektor und dem Emitter dieses Transistors Q, ist so hoch, daß der Minimalselbsthaltestrom des PNPN-Schalters S sehr klein ist. Im Gegensatz zur Schaltungskonfiguration nach Fig. 1 mit dem Widerstand R kann daher der Kreis nach Fig. 2 als ein Schalter mit einer Selbsthalteeignung auch im Bereich kleinen Laststroms verwendet werden. Weiter fließt, während der PNPN-Schalter 3 eingeschaltet wird, der größte Teil des Laststroms durch den Kollektor des Transistors Qj₁,, und daher wird der Steuerelektrodenausschaltvorgang des PNPN-Schalters S leicht auch bei großem Laststrom durchgeführt. Der Steuerelektrodenausschaltvorgang erfolgt durch Zuführen des Basisstroms zum Basisanschluß T des Transistors Q_, wodurch die beiden in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Ubergänge der Transistoren Qp und Q. kurzgeschlossen werden. Der Steuerelektrodenausschaltvorgang wird natürlich in gleicher Weise unter Verwendung eines anderen Kreises zum Ableiten eines Stroms aus dem Steuerelektrodenanschluß G erreicht. Weiter wird der Transistor Qj,, dessen Basis-Kollektor-Ubergang in einem rückwärts vorgespannten aktiven Bereich betrieben wird, mit hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet.

Es sei nun angenommen, daß der Halbleiterschalterkreis gemäß der Erfindung im Aus-Zustand ist. Wenn eine steile Ausgleichsspannung zwischen der Anode A und dem einer Kathode äquivalenten Anschluß K angelegt wird, wird der Transistor Q-. durch den Kondensator C so gesteuert, daß die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter desselben verringert wird, wodurch der durch den rückwärts vorgespannten PN-Übergang des PNPN-Schalters S fließende Strom überbrückt wird. In dieser Weise wird das irrtümliche Einschalten des Schalterkreises verhindert. Mit anderen Worten hat der Transistor Q, zwei wichtige Funktionen, nämlich die Durchführung des Steuerelektrodenausschalt-

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Vorganges im Ansprechen auf den vom Anschluß T gelieferten Basisstrom und die Verhinderung des irrtümlichen Einschaltens des Schalterkreises, das sonst infolge des Rate-Effekts aufgrund des durch den Kondensator C gelieferten Basisausgleichstroms auftreten könnte. Unter den normalen Bedingungen, wo der Basisstrom weder vom Anschluß T noch vom Kondensator C geliefert wird, ist der Transistor Q^ natürlich im ausgeschalteten Zustand gehalten, und die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter dieses Transistors ist hoch. Der Schalterkreis kann daher mit einem geringen dem Steuerelektrodenanschluß G zugeführten Strom eingeschaltet werden.

In dieser Weise wird der Steuerelektrodenausschaltvorgang dieses Schalterkreises leicht mit hoher dv/dt-Festigkeit und geringem Steuerelektrodenstrom erreicht.

Es sind verschiedene Abänderungen der Schaltungsauslegungen des Halbleiterschalterkreises gemäß der Erfindung möglich.

Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Halbleiterschalterkreises gemäß der Erfindung, der zum Abschalten eines größeren Laststroms geeignet ist. Dieses Ausführungsbeispiel weist einen Laststromteilerkreis mit Transistoren Q^ und Q^ auf, die alsDarlington-Paar verbunden sind. Aus der obigen Gleichung (1) folgt, daß der im PNPN-Schalter S fließende Strom umso kleiner ist, je größer der Stromverstärkungsfaktor ^W₀Ji des Transistors Q|, ist. Es ist bekannt, daß der gesamte Strom verstärkungsfaktor des Darlington-Paars von Transistoren Q,. und Q_fc

4 5 das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der einzelnen Transistoren, und größer als deren Summe ist. Dabei sei angenommen, daß hp_EQt- der Emitterschaltungs-Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q^ ist. Der im PNPN-Schalter S

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fließende Strom I ergibt sich als

¹^^{1+ h}FEQ4 - ^hFEQ5

Man sieht, dai3 nur ein kleiner Teil des Laststroms im PNPN-Schalter S fließt, und daher ist der Steuerelektro denausschaltvorgang auch bei großem Laststrom I_Q möglich gemacht.

Eine Abwandlung des Schalterkreises nach Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt Transistoren Q,, Qp, Q, und Q₁U mit gleichartigen Funktionen wie die entsprechenden Transistoren in Fig. 2, eine Diode D. zur Erhöhung der Sperrdurchbruchspannung des Laststromteilerkreises, eine Diode Dp, die den Kondensator C ersetzt, zum Liefern des Ausgleichsbasisstroms des Transistors Q₂, eine Klemmdiode D, zum Klemmen der angelegten Sperrspannung zum tiefen Vorspannen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q^, wenn der PNPN-Schalter S und der Transistor Q^, eingeschaltet werden, und Widerstände R. und R zum Verhindern des irrtümlichen Einschaltens des Schalterkreises oder Reduktion der Durchbruchsspannung, die sich durch einen kleinen Leckstrom der mit dem PNPN-Schalter S oder der Steuerelektrode G verbundenen Elemente ergeben könnte, oder des irrtümlichen Einechaltens des Schalterkreises, das durch einen kleinen Rate-Effekt verursacht werden könnte, der zum Einschalten des Transistors Q, nicht geeignet ist.

Das grundsätzliche Funktionsprinzip dieses Schalterkreises ist das gleiche wie das gemäß Fig. 2. Mit anderen Worten fließt der größte Teil des Laststroms durch den Laststromteilerkreis mit dem Transistor Qj, und der Diode D., und so wird der Steuerelektrodenausschaltvorgang des

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PNPN-Schalters S erleichtert. Auch kann der Steuerelektrodenausschaltvorgang alternativ durch Kurzschließen der zwei in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Q_? und Q^ durch Liefern eines Basisstroms zum Basisanschluß T des Transistors Q-, durchgeführt werden. Weiter verhindert der Variabelimpedanz-Bypasskreis zum Rate-Effekt-Schutz mit dem Transistor Q.,, den Dioden Dp und D, und den Widerständen R₁ und R_? den Nachteil des Bypasskreises mit einer konstanten Impedanz, der nur das Kurzschließen durch den Widerstand nach Fig. 1 ausnutzt, wobei der Anstieg der dv/dt-Festigkeit den Minimalselbsthaltestrom erhöht. So kann der vorliegende Kreis als Schalter mit Selbsthalteeignung auch bei geringem Laststrom verwendet werden.

Diese Schalterkreisausgestaltung hat weitere Vorteile. Zunächst ergibt die Anordnung der Diode D. zum Steigern der Sperrdurchbruchspannung eine hohe Durchbruchspannung in beiden Richtungen, was der Vorteil des PNPN-Schalters ist. Zweitens erleichtert die Verwendung der Diode Dp anstelle des Kondensators C als Impedanzelement zum Leiten des Ausgleichsbroms des Transistors Q-. zwecks Rate-Effekt-Schutzes die Schaltungsintegration des Schalterkreises. Der Grund, weshalb die Kathode der Diode D- nicht mit der Anode A des PNPN^--S ehalte rs S, sondern mit der N-Basis des Transistors Q. verbunden ist, ist die Verhinderung eines ungünstigen Einflusses auf den Vorteil der in beiden Richtungen hohen Durchbruchspannungen des PNPN-Schalters. Die Einfügung der Klemmdiode D^. zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q, verhindert andererseits eine Sperrvorspannung des Basis-Emitter-Kreises des Transistors Q, zur Sperrdurchbruchspannung, wenn der PNPN-Schalter S ausgeschaltet wird, wodurch die Verringerung der Rate-Effekt-Schutzeignung bei Zuführung wiederholter Ausgleichspannungen verhindert wird. Durch

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Anschließen der Widerstände R und R~ 1st es möglich, das irrtümliche Einschalten des Kreises zu verhindern, das smst aus dem kleinen Leckstrom im Kollektor-Basis-Übergang des PNPN-SchaIters G oder dem kleinen Leckstrom von dem an den Steuerelektrodenanschluß G angeschlossenen Kreis resultieren könnte. Weiter wird das irrtümliche Einschalten, das sonst durch einen so geringen Rate-Effekt, der den Transistor Q, nicht einschalten kann, verursacht würde, verhindert, wodurch ein stabiler Schalter erhalten wird. Weiter funktioniert der Widerstand R als Pfad zum Abfuhren gespeicherter Ladungen des Transistors Q₂., wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht wird. Die Funktion des Transistors Q^ begrenzt erwünscht die Funktionen der Widerstände R₁ und R- zur Überbrückung nur eines kleinen Stroms, wie oben erwähnt wurde. Daher haben diese Widerstände einen hohen Widerstandswert, wodurch die Nachteile des Anstiegs des Minimalselbsthaltestroms des PNPN-SchaIters S oder der Verringerung der Steuerelektrodezündempfindlichkeit äußerst gering gehalten werden. Im Vergleich mit dem nur den Widerstand zum Kurzschließen verwendenden Schalterkreis können sowohl der Minimalselbsthaltestrom als auch der Steuerelektrodenzündstrom äußerst stark gesenkt werden.

Ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Diode D, zum Steigern der Sperrdurchbruchspannung des Laststromteilerkreises in Fig. 4 außen angeschlossen. Als Ergebnis ist das betrachtete Beispiel geeignet, in größerem Ausmaß als beim Kreis nach Fig. 4 den Sperrstrom auszuhalten, der in das Steuersystem durch den Steuerelektrodenanschluß G und den Steuerelektrodenausschaltanschluß T fließt. Die anderen Vorgänge in diesem betrachteten Schalterkreis sind etwa die gleichen wie die im Fall des Schalterkreises nach Fig. 4 und sollen nicht näher beschrieben werden.

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Ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 veranschaulicht. Dieses Ausführungsbeispiel ist so ausgelegt, daß zur Ermöglichung des Abschaltens eines größeren Laststroms als im Schalterkreis nach Fig. 5 der Laststromteilerkreis Transistoren Q₁^ und Q₁. als Darlington-Paar enthält. Der Vorteil dieses Kreises, dessen Einzelheiten anhand des Kreises nach Fig. 3 beschrieben wurden und nicht wiederholt werden sollen, liegt darin, daß, da im PNPN-Schalter S ein viel kleinerer Laststrom als im Kreis nach Fig. 5 fließt, der Steuerelektrodenausschaltvorgang unter größerem Laststrom möglich ist. Die anderen Bauelemente und Schalterkreisvorgänge sind denen nach Fig. 5 gleich und werden nicht nochmals erläutert.

Ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Diode D, zum Steigern der Sperrdurchbruchspannung des Laststromteilerkreises in Fig. k durch Verbinden des Kollektors des Transistors Qj, mit der N-Basis des PNP-Transistors Q. zur Bildung des PNPN-Schalters S eliminiert. Die anderen Bauelemente und der Schaltungsbetrieb sind denen nach Fig. gleich und werden nicht nochmals beschrieben.

Ein siebentes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel erkennt man einen Transistor Q_ zum Teilen des Laststroms, der mit dem Transistor Q₂^ ein Darlington-Paar bildet, und außerdem einen Transistor Qg mit dem PNP-Tmnsistor Q. des PNPN-Schalters S gemeinsamen Emitter und gemeinsamer Basis (wobei die Transistoren Q₁ und Qg einen Mehrkollektortransistor bilden). Der Transistor Qg hat die Funktion, den Basisausgleichstrom des Transistors Q-, zum Rate-Effekt-Schutz zu liefern, und wirkt in ähnlicher Weise wie der Kondensatorin Fig. 2 oder 3 oder die Diode Dp in Fig. 3

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bis 6. Man erkennt außerdem einen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q, eingefügten Widerstand R^, zum Verhindern des Einschaltens des Transistors Q im Ansprechen auf den vom Transistor Qg zugeführten Strom bei der normalen Bedingung, wo sowohl der PNPN-Schalter S als auch die Transistoren Q^ und Q₁. im Einschalt-Zustand sind. Der Widerstand R^ funktioniert auch als Pfad zum Abführen der im Basis-Emitter-Übergang des Transistors Q, gespeicherten elektrischen Ladungen. Die restlichen Bauelemente sind die gleichen wie die mit den gleichen Bezugs zeichen in Fig. 4 versehenen, und das Grundprinzip des Schaltungsbetriebs ist dem nach dem vorangehenden Ausführungsbeispiel gleich.

Gemäß dieser Schaltungsanordnung besteht der Laststromteilerkreis aus einer Diode D. und den Transistoren Q^ und Qc als Darlington-Paar, was einen größeren scheinbaren Stromverstärkungsfaktor ergibt. Weiter schließt der zum Steuerelektrodenausschaltvorgang verwendete Transistor Q^. die drei in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Qp des PNPN-Schalters S und der Transistoren Qj, und Qc kurz, wodurch ein Steuerelektrodenausschaltvorgang unter größerem Laststrom ermöglicht wird. Der anstelle des Kondensators C In Fig. 2 und 3 oder der Diode D in den Fig. 3 bis 7 verwendete Transistor Qg hat vorzugsweise einen kleinen Stromverstärkungsfaktor und eine große Basis-Kollektor-Kapazität zwecks seiner Funktion. Mit anderen Worten ist es bei normalen Bedingungen, wo der PNPN-Schalter eingeschaltet wird, unerwünscht, den Transistor Q^ durch den vom Transistor Qg gelieferten Basisstrom einzuschalten, da der Selbsthaltestrom erhöht würde, was zu einem Steuerelektrodenausschaltvorgang im ungünstigsten Fall führte; daher resultiert die Notwendigkeit der Beseitigung dieses Nachteils durch Verringerung

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des Gleichstromverstärkungsfaktors des Transistors Q,- und der Einfügung des Widerstandes R-, zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q,. Wenn andererseits eine Ausgleichspannung zwischen der Anode A und der Kathode K angelegt wird, ist es erforderlich, einen großen Basisstrom zum Transistor Q,, zwecks Rate-Effekt-Schutz zu liefern, und daher muß die Kapazität des Basis-Kollektorliberganges des Transistors Q,- so groß wie möglich sein. Unter Berücksichtigung aller dieser Faktoren kann der Transistor Q^ einfach durch Zufügen eines P-Bereichs zum gleichen Isolationsbereich wie dem des PNPN-Schalters S im Fall einer integrierten Halbleiterschaltung gebildet werden, was zu einer vorteilhaften Ersparnis an durch die Bereiche besetzter Flächen führt.

Statt des Einsatzes der NPN-Transistoren, die in den vorangehenden Beispielen verwendet sind, kann der Schaltkreis gemäß der Erfindung auch unter Verwendung von PHP-Transistoren verwirklicht werden. Eine solche Alternative ist im achten AusfUhrungsbeispiel der Erfindung in Fig. 9 veranschaulicht, wo sich eine Schaltungsanordnung ergibt, die zu der nach Fig. 2 komplementär ist. Man erkennt PNP-Transistoren Q ' und Q₂,' , die die gleichen Funktionen wie die NPN-Transistoren Q bzw.Q^ in Fig. 2 haben. Mit anderen Worten dient der Transistor Q₁.' zum Teilen des Laststromes und der Transistor Q,' zum Steuerelektrodenausschaltvorgang im Ansprechen auf den dem Anschluß T zugeführten Basisstrom und zum Rate-Effekt-Schutz durch den durch den Kondensator C fließenden Basisstrom mittels Kurzschlleßens der beiden in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Ubergänge des Transistors Q ' des PNPN-Schalters und des Transistors Q₁.' . Obwohl der Zündsteuerelektrodenanschluß G die Form der Basis des NPN-Translstors Q₂', d. h. einer P-Steuerelektrode, annimmt, kann es auch eine N-Steuerelektrode in Form der Basis des PNP-Transistors Q ' sein.

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COPY

Ifi den errwfeJinten Ausführungsbeispielen kann der PNPN-Sr:haLter S₍ Ι/φμ eirjer Halbleiteranordnung mit inte-

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griertem A)uf$au', ;Me z. B. einem Thyristor oder einem PNP-NPN-Kompl^xtranaiptor. Gebrauch machen. Weiter kann die Isolierung zwischen dem Hauptschalter und dem Steuersystem durch Verwendung eines 'lichtaktivierten PNPN-Schalters, wie z. B. eines "Photo-Thyristors" verbessert werden. Die den Rate-Effekt-Schutz und den Steuerelektrodenausschaltvorgang ergebenden Transistoren Q, und Q ' sind vorzugsweise von hohem Stromverstärkungsfaktor und von niedriger Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung V,,,^ für ihre Funktion. Photo-Transistoren können als Transistoren Q^, und Q-.' verwendet werden, um den Steuerelektrodenausschaltvorgang zwecks verbesserter Isolation gegenüber dem Steuersystem durch Licht zu aktivieren. Weiter wird der Schalterkreis zur Verwendung für einen Steuerelektrodenaussch^ltvorgang mit umso größerem Laststrom geeignet, je größer der Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q,^ zum Teilen des Laststroms ist.

Man versteht aus der vorstehenden Beschreibung, daß erfindungsgemäß ein großer Laststrom durch einen Steuerelektrodenausschaltvorgang mit einer geringen Leistung mittels eines gewöhnlichen PNPN-Schalters oder lichtaktivierten Thyristors ohne Verwendung eines mit Gold diffundierten Thyristors oder mit niedrigerem seitlichen Widerstand der Steuerelektrodenschicht ausgelegten Thyristors abgeschaltet werden kann. Auch ist es möglich, einen Schalter mit einer Selbsthalteeignung auch bei geringem Laststrom vorzusehen. Weiter wird der Vorteil des PNPN-Schalters mit einer hohen beidseitig gerichteten Durchbruchspannung beibehalten, wodurch ein überlegener Halbleiterschalter mit hoher dv/dt-Festigkeit und hoher Steuerelektrodenzündempfindlichkeit ermöglicht wird.

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^C0PY ORIGINAL INSPECTED

Claims

-X-

Patentansprüche

.J...' Halbleiterschalterkreis,

gekennzeichnet durch

einen PNPN-Schalter (3), eines PNPN-Halbleiter-Vierschichtaufbaues,

einen Laststromteilerkreis mit einem so angeschlossenen Transistor (Q₁,), daß ein Teil des durch den PNPN-Schalter (S) fließenden Laststroms Jn die Basis des Transistors fließt und der restliche Laststrom als Kollektorstrom dieses Transistors fließt, und

einen Variabelimpedanz-Bypasskreis mit wenigstens einem so angeschlossenen Schaltelement (z. B. Q-,), daß wenigstens zwei der PN-Übergänge einschließlich eines PN-Uberganges neben einem Ende des PNPN-Schalters und des Basis-Emitter-Überganges des Transistors (Ql) des Laststromteilerkreises kurzgeschlossen sind, welches Schaltelement einen so angeschlossenen Steueranschluß hat, daß ein Teil des Laststroms durch ein kapazitives Element geteilt wird.

2. Halbleiterschälterkreis,

gekennzeichnet durch

einen PNPN-Schalter (S) eines PNPN-Halbleiter-Vierschichtaufbaues, der äquivalent einen ersten und einen zweiten Transistor (Q., Q₂) umfaßt,

einen Laststromteilerkreis mit wenigstens einem Transistor (Q₂,) und

einen Variabelimpedanz-Bypasskreis mit wenigstens einem Transistor (Q^) und einem kapazitiven Element (C),

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ORIGINAL INSPECTED

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wobei die Basis und der Kollektor des im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistors (Q^) mit der Kathode bzw. der Anode des PNPN-Sehalters (S) verbunden sind, der

Kollektor und der Emitter des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors (Q,) mit der P-Basis des zweiten Transistors des PNPN-Schalters bzw. dem Emitter des im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistors (Q^) verbunden sind und die Basis des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors (Q.,) wahlweise mit der Anode des PNPN-Schalters (S) und der N-Basis des ersten Transistors (Q.) durch das kapazitive Element (C) verbunden ist, wodurch der Steuerelektrodenausschaltvorgang des Schaltkreises durch Steuern der Basis des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors (Q-,) durchführbar ist.

J>. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laststromteilerkreis ein Paar von als Darlington-Paar verbundenen Transistoren (Ql, Qc) enthält.

4. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Variabelimpedanz-Bypasskreis einen Transistor (Q,), ein Paar von Impedanzelementen (R₁, Rp) und eine Diode (D,) enthält, die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors (Q,) eingefügt ist, wobei das Paar der Impedanzelemente (R., R_) in Reihe untereinander unter Bildung einer Reihenschaltung angeschlossen ist, deren Enden mit dem Kollektor bzw. dem Emitter des Transistors (Q^) verbunden sind, und das Paar der Impedanzelemente einen mit der Basis des im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistors verbundenen Punkt aufweisen.

5- Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Variabelimpedanz-Bypasskreis einen Transistor (Q^), drei Impedanzelemente (R., R , R) und

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eine Diode (D,) enthält, die zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors (Q,) eingeschaltet ist, wobei die drei Impedanzelemente (IL, R₀, R₇) in Reihe untereinander zur Bildung einer Reihenschaltung angeschlossen sind, deren Enden mit dem Kollektor bzw. dem Emitter des Transistors (Q-*) verbunden sind, und die drei Impedanzelemente der Reihenschaltung ihre zwei Verbindungspunkte in Verbindung mit den Basen der als Darlington-Paar im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistoren (Q₁,, Q^) verbunden sind,

6. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laststromteilerkreis ein Faar von als Darlington-Paar verbundenen Transistoren (Q₁,, Qp.) und eine Diode (D-) aufweist, die zwischen dem Kollektor des letzteren Transistors (Qp.) und der Anode des PNPN-Sohalters (S) angeschlossen ist.

7. Halbleiterschalterkreis,

gekennzeichnet durch

einen PNPN-Schalter (S) eines PNPN-Halbleiter-Vierschichtaufbaues mit einem Steuerelektrodenanschluß, welcher Aufbau äquivalent einen ersten und einen zweiten Transistor (Q₁, Q₂) enthält,

einen Laststromteilerkreis mit wenigstens einem Transistor (Q₁₊) und

einen Variabelimpedanz-Bypasskreis mit wenigstens einem Transistor (Q,) und einem kapazitiven Element (C),

wobei die Basis und der Kollektor des im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistors mit der Kathode des PNPN-Schalters (S) bzw. der N-Basis des ersten Transistors (Q₁) des PNPN-Schalters verbunden sind, der Kollektor und der Emitter des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors (Q,) mit der P-3asis des zweiten Transistors des PNPN-Schalters bzw. dem Emitter des im Laststromteiler-

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kreis enthaltenen Transistors (Q.) verbunden sind und die Basis des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors (Q, ) mit der N-Basis des ersten Transistors (Q₁) des PNPN-Schalters (S) über das kapazitive Element (C) verbunden sind, wodurch der Steuerelektrodenausschaltvorgang durch Steuern der Easis des im Variabellmpedanz-Eypasskreis enthaltenen Transistors (Q,) durchführbar ist.

8. Halbleiterschalterkreis,

gekennzeichnet durch

einen PNPN-Schalter (S) mit einem Steuerelektrodenanschluß und einem P-Kollektorbereich, welcher PNPN-Schalter einen PNPN-Ha]bleiter-Vierschichtaufbau aufweist, der äquivalent einen ersten, einen zweiten und einen dritten Transistor enthält, wovon der erste und der zweite Transistor einen gemeinsamen Emitter und eine gemeinsame Basis mit einem Mehrkollektoraufbau haben,

einen Laststromteilerkreis mit wenigstens einem Transistor und

einen Variabelimpedanz-Bypasskreis mit wenigstens einem Transistor,

wobei die Basis und der Kollektor des im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistors mit der Kathode bzw. der Anode des PNPN-Schalters verbunden sind, der Kollektor und der Emitter des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors mit der P-Basis des dritten Transistors des PNPN-Schalters bzw. dem Emitter des im Laststromteilerkreis enthaltenen Transistors verbunden sind und die Basis des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors mit dem P-Kollektorbereich des zweiten Transistors des PNPN-Schalters verbunden ist, wodurch der Steuerelektrodenausschaltvorgang durch Steuern der Basis des im Variabelimpedanz-Bypasskreis enthaltenen Transistors durchführbar ist.

7098U/1016