DE2718696B2

DE2718696B2 - Halbleiterschalterkreis

Info

Publication number: DE2718696B2
Application number: DE2718696A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Yokohama Kawanami; Ichiro Yokohama Ohhinata; Shinzi Fujisawa Okuhara; Michio Zushi Tokunaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-04-28
Filing date: 1977-04-27
Publication date: 1979-10-25
Also published as: DE2718696C3; US4125787A; JPS52131449A; JPS565098B2; AU2461477A; AU499996B2; DE2718696A1; CA1098978A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterschalterkreis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein PNPN-Schalter mit einer Steuerelektrode oder einem Steueranschluß wird für verschiedene Steuerkreise wegen seiner Vorteile verwendet, daß sich ein großer Strom mit einem kleinen Steuerelektroden-Ansteuersliom steuern läßt, daß er eine Selbsthalteeignung hat und daß er in beiden Richtungen hohe eine Durchbruchsspannung besitzt. Der PNPN-Schaltung 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 zwischen dem Laststrom und dem zu dessen Abschalten erforderlichen Strom) des genannten Thyristors ergibt sich als

(Jon = *

I)

für eine P-Steuerelektrode, wo <xi den Stromdurchlaß-

faktor des PNP-TeiJs des PNPN-Vierschichtaufbaues und κι den StromdureWaßfaktor dessen NPN-Teils bedeuten. Wenn der Wert von Go/r zu steigern ist, ist es erforderlich, daß «2 so groß wie möglich ist und daß der Wert (αϊ +oti) etwas größer als 1 ist. Wegen dieser Notwendigkeit der Minimalisierung des Stromdurchlaßfaktors «1 des PNP-Teils und der Maximalisierung des Stromdurchlaßfaktors «2 des NPN-Teils des genannten Thyristors ist es nötig, Gold selektiv nur in dessen N-Basisschicht einzudiffundieren.

Weiter verursacht, wenn der Innenwiderstand 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.

Ein bekannter Halbleiterschalter (DE-OS 25 10 406) der eingangs genannten Art hat einen Schutz-Transistor, der einen der drei PN-Übergänge an einem Ende des PNPN-Schalters kurzschließt, um diesen gegenüber den dv/df-Effekt zu schützen. Dadurch wird zwar eine dv/dr-Widerstandsfähigkeit erreicht, jedoch ist es schwierig, den Schutz-Transistor von außen anzusteuern. Außerdem ist die Schutzwirkung gegenüber dem dv/di-Effekt relativ gering, da nur ein einziger PN-Übergang durch den Schutz-Transistor kurzgeschlossen wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterschalterkreis der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem nicht nur der PNPN-Schalter gegenüber dem dv/d/-Effekt geschützt ist, sondern bei dem auch die Steueranschluß-Abschaltung oder Sperrung erleichtert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterschalterkreis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichtndem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung sind zumindest zwei PN-Übergänge durch den zweiten Transistor kurzgeschlossen, so daß der Schutz gegenüber dem dv/d/-Effekt wirksamer als bei dem bekannten Halbleiterschalterkreis (DE-OS 25 10 408) ist. Da der zweite Transistor weiterhin mit einem Steueranschluß versehen ist, wird der Steueranschluß-Abschiltbetrieb erleichtert und die Einschalt-Empfindlichkeit erhöht.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2-8 gegeben.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbcispiele näher erläutert; darin zeigt

F i g. I ein Schaltbild eines herkömmlichen Halbleiterschalterkreises;

Fig. 2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des Halbleiterschalterkreises gemä(3 der Erfindung; und

Fig.3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 Schaltbilder eines zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten, siebten und achten Ausführungsbeispiels des Halbleiterschalterkreiscs gemäß der Erfindung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst der herkömmliche Halbleiterschalterkreis gemäß Fig. I, der von den Erfindern entwickelt wurde, im einzelnen erläutert werden. Dieser Kreis verwendet einen PNPN-Schalter S, der durch Transistoren Qi und Q2 dargestellt ist, und einen Transistor Q₄, Der Teil des Laststromes, der im PNPN-Schalter 5fließt, fließt in die Basis des Transistors Q₄, während der größte Teil des Laststroms durch den Kollektor des Transistors Q₄ 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 Q₄ als Afrc>₄ gegeben wird. Die Beziehung zwischen dem Laststrom /0 und dem im PNPN-Schalter S unter der Selbsthaltbedingung fließende Strom I\ wird ausgedrückt als

Dies zeigt, daß der im PNPN-Schalter 5 fließende Strom umso kleiner ist, je größer ö:r Strom verstärkungsfaktor hFEQ* des Transistors Q₄ ist, u>d so wird der Steuerelektrodenausschaltvorgang erleichtert. Vom Standpunkt der Selbsthalteeignung dieses Kreises ergibt sich der minimale Selbsthaltelaststrom, der 2-, sowohl durch den PNPN-Schalter als auch den Transistor Q₄ fließt als

= Λ

(Ι

)<> worin l\ hmin der Minimalselbsthaltestrom des PNPN-Schalters selbst ist. Man ersieht aus der obigen Gleichung (2), daß der Minimalselbsthaltelaststrom umso größer ist, je größer der Stromverstärkungsfaktor hnv* '^st· Daher muß, wenn man wünscht, daß der

Γι Schalterkreis auch mit einem kleinen Laststrom verwendet werden soll, der Minimalselbsthaltestrom Λ/MMv des PNPN-Schalters 5 selbst klein sein. Nichtsdestoweniger wird der PNPN-Schaller £ vom dv/di-Effekt (Rate-Effekt) begleitet, unter welchem, wenn eine Ausgleichsspannung dv/di zwischen der Anooe A und der Kathode K angelegt wird, der durch die PN-Übergangskapazität fließende Verschiebüngsstrom die Form eines Steuerelektrodenstroms annimmt, wodurch der Schalterkreis irrtümlich ausgeschaltet

4") wird. Um diese Erscheinung zu verhindern, wird allgemein ein Parallelwiderstand R\ zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K des PNPN-Schalters 5 eingeschaltet, was zu den Nachteilen führt, daß die Steuerelektroden-Zündempfindlichkeit und ein

">» größerer Selbsthaltestrom wachsen. Mit anderen Worten ergibt sich der Minimalselbsthaltestrom als

■ _ Viii, q 2

Ί 11μ 1 jv - η

worin (X.ii den Stromdurehlaßfaktor des PNP-Transistors Qi des PNPN-Schalters S und Vmqi eine Spannung in der Vorwärtsrichtung zwischen der Basis und dem Emitter des NPN-Transistors Q2 bedeuten,

mi wenn der PNPN-Schalter eingeschaltet wird. Wenn der Wert des Widerstandes R\ verringert wird, i'm das ungewollt Ausschalten des PNPN-Schalters bei Auftreten einer plötzlichen Spannungsänderung dv/dr an der Anode A zu vermeiden, wird der Minimalselbslhalte-

h, strom /1 /MHNunerwünscht erhöht.

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

Es wird nun auf F i g. 2 verwiesen, die ein Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt. Man erkennt PNP- und NPN-Transistoren Q\ bzw. Q₂, die einen PNPN-Schalter S bilden, einen Laststromteilertransistor Q*, einen Transistor Qt zur Bildung eines schaltbaren Parallelkreises zum Rate-Effekt-Schutz und Steuerelektrodenausschaltvorgang und einen Kondensator Czum Liefern des Basisstromes zur Zeit des Vorhandenseins eines kapazitiven Stromes zur Ermöglichung des Rate-Effekt-Schutzes durch den Transistor Qi.

Wenn dieser Kreis unter normalen Bedingungen eingeschaltet gehalten wird, wird kein Basisstrom durch den Kondensator C zum Transistor Qt gespeist. Der Transistor Qi wird so ausgeschaltet gehalten, und die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter dieses Transistors Qy ist so hoch, daß der Minimalselbsthaltestrom des PNPN-Schalters S sehr klein ist. Im Gegensatz zur Schaltungskonfiguration nach K ι g. I mit dem Widerstand R\ kann daher der Kreis nach F i g. 2 als ein Schalter mit einer Selbsthalteeignung auch im Bereich kleinen Laststroms verwendet werden. Weiter fließt, während der PNPN-Schalter Seingeschaltet ist, der größte Teil des Laststroms durch den Kollektor des Transistors Qi, und daher kann der Ausschaltvorgang des PNPN-Schalters 5 über die Steuerelektrode auch bei großem Laststrom leicht durchgeführt werden. Der Steuerelektrodenausschaltvorgang erfolgt durch Zuführen des Basisstroms zum Basisanschluß Γ des Transistors Qi. wodurch die beiden in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Q: und Qt kurzgeschlossen werden. Der Steuereiektrodenausschaltvorgang wird natürlich in gleicher Weise unter Verwendung eines anderen Kreises zum Ableiten eines Stroms aus dem Steuerelektrodenanschluß G erreicht. Weiter wird der Basis-Kollektor-Übergang des Transi stors Qi durch den PNPN-Schalter S in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Transistor Qx im aktiven Bereich betrieben wird, wodurch er mit hoher Geschwindigkeit ausgeschaltet oder gesperrt wird.

Es sei nun angenommen, daß der Halbleiterschalterkreis gemäß der Erfindung im Aus-Zustand ist. Wenn eine Spannungsänderung mit steiler Flanke zwischen der Anode A und dem einer Kathode äquivalenten Anschluß K aufteilt, wird der Transistor Qi durcli den Kondensator C so gesteuert, daß die Impedanz zwischen dem Kollektor und dem Emitter desselben verringert wird, wodurch der sonst durch den rückwärts vorgespannten PN-Übergang des PNPN-Schalters S fließende Strom abgeleitet 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 Steuerelektrodenausschaltvorganges im Ansprechen auf den vom Anschluß Γ gelieferten Basisstrom und die Verhinderung des ungewollten Einschaltens des Schalterkreises, das sonst infoige 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 Qi 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/df-Festigkeit und geringem Steuerelektrodenstrom erreicht.

Fig.3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Halbleiterschalterkreises gemäß der Erfindung, der zum Abschalten eines größeren Laststromes geeignet ist. Dieses Ausführungsbeispiel weist einen Laststrom-Teilerkreis mit Transistoren Qt und Qi auf, die als Darlington-Paar verbunden sind. Aus der obigen

ίο Gleichung (I) folgt, daß der im PNPN-Schalter S fließende Strom umso kleiner ist, je größer der Stromverstärkungsfaktor hnv* des Transistors Qi ist. Es ist bekannt, daß der gesamte Stromverstärkungsfaktor des Darlington-Paars von Transistoren Qi und Q-,

ι> das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren der einzelnen Transistoren und größer als deren Summe ist. Dabei sei angenommen, daß Λγ/γοι der Emitterschaltungs-Stromverstärkungsfaktor des Transistors Qs ist. Der im PNPN-Schalter Sfließende Strom /ι ergibt sich als

Ί =

I ■+ /i

/ IQi ' "I I (JS

Man sieht, daß nur ein kleiner Teil des Laststroms In im PNPN-Schalter 5 fließt, und daher ist der Steuerelektrodenausschaltvorgang auch bei großem Laststrom /n möglich gemacht.

Eine Abwandlung des Schalterkreises nach F i g. 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt Transistoren Q], Q₂, Q\ und Qi mit gleichartigen Funktionen wie die entsprechenden Transistoren in Fig. 2, eine Diode D\ zur Erhöhung der Sperrdurchbruchsspannung des Laststrom-Teilerkreises, eine Diode D₂. die den Kondensator C ersetzt, zum Liefern des Basisstroms, des Transistors Q₂, eine Klemmdiode Dj zum Klemmen der hohen Sperrspannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q_t. wenn der PNPN-Schalter 5 und der Transistor Qi eingeschaltet werden, und Widerstände R₁ und R₂ zum Verhindern des ungewollten Einschaltens des Schalterkreises oder zur Verringerung der Durchbruchsspannung, die sich durch einen kleinen Leckstrom der mit dem PNPN-Schalter 5oder der Steuerelektrode G verbundenen Elemente ergeben könnte, oder des ungewollten Einschaltens Jes Schalterkreises, das durch einen kleinen Rate-Effekt verursacht werden könnte, der zum Einschalte· Jes Transistors Qi 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 Laststrom-Teilerkreis mit dem Transistor Qi und der Diode Di. und so wird der Steuerelektrodenausschaltvorgang des PNPN-Schalters S erleichtert. Auch kann der Steuerelektrodenausschaltvorgang alternativ durch Kurzschließen der zwei in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Q₂ und Qt durch Liefern eines Basisstroms zum Basisanschluß T des Transistors Qj durchgeführt werden. Weiter verhindert der schaltbare Parallelkreis zum Rate-Effekt-Schutz mit dem Transistor Qy, den Dioden D₂ und D₃ und den Widerständen /?i und R₂ den Nachteil des Parallelkreises mit einer konstanten Impedanz, nach Fig. 1, bei dem der Anstieg der dv/df-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 Di zum

Steigern der Sperrdurchbruchspannung eine hohe Durchbruchspannung in beiden Richtungen, was der Vorteil des PNPN-Gchalters ist. Zweitens erleichtert die Verwendung der Diode Di anstelle des Kondensators C als Impedanzelement zum übertragen einer Spannungsänderung an den Transistor Qi zwecks Rate-Effekt-SchutzC) die Schaltungsintegration des Schalterkreises. Der Grund, weshalb die Kathode der Diode D₂ nicht mit der Anode A des PNPN-Schalters S, sondern mit der N-Dasis des Transistors Q\ verbunden i..t, ist die Verhinderung eines ungünstigen Einflusses auf den Vorteil der in beiden Richtungen hohen Durchbruchspannungen des PNPN-Schalters. Die Einfügung der Klemmdiode Ds zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Qi verhindert das Entstehen einer Sperrvorspannung am Basis-Emitter-Kreis des Transistors Qt, wenn der PNPN-Schalter Sausgeschaltet wird, unrlll

trni An

-'6 gleich und werden nicht nochmals erläutert.

Ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Diode D₁ zum Steigern der Sperrdurchbruchspannung des Laststromteilerkreises in Fig. 4 durch Verbinden des Kollektors des Transistors Qt mit der N-Basis des PNP-Transistors Q\ zur Bildung des PNPN-Schalters S ersetzt. Die anderen Bauelemente und der Schaluingsbetrieb sind denen nach F i g. 4 gleich und werden nicht nochmals beschrieben.

Ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 8 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel erkennt man einen Transistor (?5 zum Teilen des Laststroms, der mit dem Transistor Qt ein Darlington-Paar bildet, und außerdem einen Transistor Qt,, der mit dem PNP-Transistor Qt des PNPN-Schalters S einen gemeinsamen Emitter und eine gemeinsame Basis

nung bei Zuführung wiederholter Spannungsänderungen verhindert wird. Durch Anschließen der Widerstände Ri und /?2 ist es möglich, das ungewollte Einschalten des Kreises zu verhindern, das sonst aus dem kleinen Leckstrom im Kollektor-Basis-Übergang des PNPN-Schalters 5 oder dem kleinen Leckstrom von dem an den Steuerelektrodenanschluß G angeschlossenen Kreis resultieren könnte. Weiter wird das ungewollte Einschalten, das sonst durch einen so geringen Rate-Effekt, der den Transistor Qi nicht einschalten kann, verursacht würde, verhindert, wodurch ein stabiler Schaltet erhalten wird. Weiterhin funktioniert der Widerstand Ri als Pfad zum Abführen gespeicherter Ladungen des Transistors <?₄, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglicht wird. Die Funktion des Transistors Qi ermöglicht, daß die Widerstände R\ und R₂ nur einen kleinen Strom ableiten müssen, wie oben erwähnt wurde. Daher haben diese Widerstände einen hohen Widerstandswert, wodurch die Nachteile des Anstiegs des Minimalselbsthaltestroms des PNPN-Schalters Soder 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 Ausführungsbeispie! ist die Diode D\ zum Steigern der Sperrdurchb^ruchspannung des Laststromteilerkreises in Fig. 4 außen angeschlossen. Dadurch wird in größerem Ausmaß als beim Kreis nach Fig.4 die Durchbruchspannung erhöht. Die anderen Vorzüge in diesem betrachteten Schaherkreis sind etwa die gleichen wie die im Fall des Schalterkreises nach Fig.4 und sollen nicht näher beschrieben werden.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 6 veranschaulicht Diese Schaltung ist so ausgelegt, daß zur Ermöglichung des Abschaltens eines größeren Laststromes als im Schalterkreis nach Fig.5 der Laststrom-Teilerkreis Transistoren Q₄ und Q_s 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 5 ein viel kleinerer Strom als im Kreis nach Fig.5 fließt, der Steuerelektrodenausschaltvorgang auch unter größerem Laststrom möglich ist Die anderen Bauelemente und Schalterkreisvorgänge sind denen nach Fig.5

Mehrkollektortransistor bilden). Der Transistor Q, hat die Funktion, bei einer raschen Spannungsänderung den Basisstrom für den Transistor Q] zum Rate-Effekt-Schutz zu liefern, und wirkt in ähnlicher Weise wie der Kondensator in Fig. 2 oder 3 oder die Diode D₂ in F i g. 3 bis 6. Man erkennt außerdem einen zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Qs eingefügten Widerstand Ra zum Verhindern des Einschalten des Transistors Qs abhängig von dem vom Transistor Qb zugeführten Strom bei normaler Bedingung, wo sowohl der PNPN-Schalter SaIs auch die Transistoren Q* und φ im Einschalt-Zustand sind. Der Widerstand /?₄ funktioniert auch als Pfad zum Abführen der im Basis-Emitter-Übergang des Transistors Qi gespeicherten elektrischen Ladungen. Die restlichen Bauelemente sind die gleichen wie die mit den gleichen Bezugszeichen in Fig. 4 versehenen, und das Grundprinzip des Schaltungsbetriebs ist dem nach dem vorangehenden Ausführungsbeispiel gleich.

Gemäß dieser Schaltungsanordnung besteht der Laststrom-Teilerkreis aus einer Diode D\ und den Transistoren Qt und Qi als Darlington-Paar, was einen größeren scheinbaren Stromverstärkungsfaktor ergibt. Weiter schließt der zum Steuerelektrodenausschaltvorgang verwendete Transistor Qs die drei in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren Q₂ des PNPN-Schalters Sund der Transistoren Q_A und Q=, kurz, wodurch ein Steuerelektrodenausschaltvorgang unter größerem Laststrom ermöglicht wird. Der anstelle des Kondensators C in Fig. 2 und 3 oder der Diode D₂ in den F i g. 3 bis 7 verwendete Transistor Qt hat vorzugsweise einen kleinen Stromverstärkungsfaktor und eine große Basis-Kollektor-Kapazität. Mit anderen Worten ist es bei normalen Bedingungen, wo der PNPN-Schalter eingeschaltet wird, unerwünscht, den Transistor Q₃ durch den vom Transistor Q₆ 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 des Gleichstromverstärkungsfaktors des Transistors Qb und der Einfügung des Widerstandes R₄ zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Qi. Wenn daher eine rasche Spannungsänderung zwischen der Anode A und der Kathode K aufteilt, fließt ein großer Basisstrom zum Transistor Q3 zwecks Rate-Effekt-Schutz. Daher muß die Kapazität des Basis-Kollektor-Überganges des Transistors Q& so groß wie möglich sein. Unter Berücksichtigung aller dieser Faktoren kann der Transistor Qe einfach durch

Zufügen eines P-Bereiches zum gleichen Isolationsbereich wie dem des PNPN-Schalters 5 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 Schalterkreis gemäß der Erfindung auch unter Verwendung von PNP-Transistoren verwirklicht werden. Eine solche Alternative ist im achten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 9 veranschaulicht, wo eine Schaltungsanordnung angegeben ist, die zu der nach F i g. 2 komplementär ist. Man erkennt PNP-Transistoren Q\ und Qt', die die gleichen Funktionen wie die NPN-Transistoren Qj bzw. Q* in F i g. 2 haben. Mit i-, anderen Worten dient der Transistor QS zum Teilen des Laststromes und der Transistor Q)' für den Steuerelektrodenausschaltvorgang im Ansprechen auf den dem Anschluß Tzugeführien Basissimm und zum RaIe-Eifekt-Schutz durch den durch den Kondenator C fließenden Basisstrom mittels Kurzschließens der beiden in Reihe geschalteten Basis-Emitter-Übergänge des Transistors Q\' des PNPN-Schalters und des Transistors QS. Obwohl der Zündsteuerelektrodenanschluß G die Form der Basis des NPN-Transistors Qj ?> darstellt, d. h. eine P-Steuerelektrode ist, kann es auch eine N-Steuerelektrode in Form der Basis des PNP-Transistors Qj sein.

In den erwähnten Ausführungsbeispielen kann der PNPN-Schalter S von einer Halbleiteranordnung mit ₎₀ integriertem Aufbau, wie z. B. einem Thyristor oder einem PNP-NPN-Komplementärtransistor Gebrauch machen. Weiter kann die galvanische Trennung zwischen dem Hauptschalter und dem Steuersystem durch Verwendung eines lichtaktivierten PNPN-Schalters, wie z. B. eines »Photo-Thyristors« erreicht werden. Die dem Rate-Effekt-Schutz und dem Steuerelektrodenausschaltvorgarig dienenden Transistoren Qi und Qj sind vorzugsweise von hohem Stromverstärkungsfaktor und von niedriger Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Vces für ihre Funktion. Photo-Transistoren können als Transistoren Qi und Qj verwendet werden, um den Steuerelektrodenausschaltvorgang zwecks galvanischer Trennung gegenüber dem Steuersystem durch Licht zu aktivieren. Weiter wird der Schalterkreis zur Verwendung für einen Steuerelektrodenausschaltvorgang mit umso größerem Laststrom geeignet, je größer der Stromverstärkungsfaktor des Transistors .J₄ zum Teilen des Laststroms ist.

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Halbleiterschalterkreis, mit einem PNPN-Sehalter mit mindestens drei PN-Übergängen, wobei ein PN-Übergang nahe einem Ende des PNPN-Schalters durch ein schützendes Schaltelement kurzgeschlossen ist, gekennzeichnet durch

einen Laststrom-Teilerkreis mit mindestens einem so mit dem PNPN-Schalter (S) verbundenen ersten Transistor (Q₄), daß der Basisstrom des ersten ι ο Transistors (Q₄) der Teil des durch den PNPN-Schalter (S) fließenden Laststrom ist und daß der Kollektorstrom des ersten Transistors (Q₄) der restliche, nicht durch den PNPN-Schalter fließende Laststrom ist, und einen schaltbaren Parallelkreis, bei dem wenigstens ein zweiter Transistor (Q₃) so mit dem PNPN-Schalter (S) und dem ersten Transistor (Qa) verbunden ist, daß wenigstens zwei PN-Obergänge, nämlich der Basis-Emftier-Obergang des ersten Transistors (Q₄) und der PN-Übergang an dem Ende de_s PNPN-Schalters (S), der mit dem Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors (Q*) reihengeschaltet ist, kurzgeschlossen sind, wobei der Steueranschluß des zweiten Transistors (Qi) mit dem P-Bereich oder dem N-Bereich des PN-Übergangs, der am anderen Ende des PNPN-Schalter (S) liegt, über ein kapazitives Element verbunden ist

2. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, jo daß der PNFN-Schalter (S) aus einem dritten und einem vierten Transistor (Qu Ci) besteht,

daß die Basis und der Kollektor des ersten Transistors (Qi) mit der Käthe "e bzw. der Anode des PNPN-Schalters (S)verbunden sind, js

daß der Kollektor und der Emitter des zweiten Transistors (Qi) mit der P-Basis des vierten Transistors (Q₂) des PNPN-Schalters (S) bzw. dem Emitter des ersten Transistors (Q₄) verbunden sind, und daß die Basis des zweiten Transistors (Qi) wahlweise mit der Anode des PNPN-Schalters (S) und de* N-Basis des dritten Transistors (Q\) durch das kapazitive Element (C) verbunden ist (vgl. F i g. 2).

3. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 2, da- π durch gekennzeichnet, daß im Laststrom-Teilerkreis der erste Transistor (Q₄) und ein fünfter Transistor (Q*,) eine Darlington-Schaltung bilden (vgl. F i g. 3).

4. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, m daß der schaltbare Parallelkreis außerdem zwei Impedanzelemente (R₁, R₂) und eine zwischen die Basis und den Emitter des zweiten Transistors (Qi) eingefügte Diode (Di) enthält,

daß die zwei Impedanzelemente (R\, R₂) eine γ, Reihenschaltung bilden, deren Enden mit dem Kollektor bzw. dem Emitter des zweiten Transistors (Qi) verbunden sind, und

daß der Mittenabgriff der zwei Impedanzelemente (Ru Ri) mit der Basis des ersten Transistors (Qt) m> verbunden ist (vgl. F i g. 4).

5. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der schaltbare Parallelkreis außerdem einen drei Impedanzelemente (Ri, R₂, Ri) und eine zwischen die μ Basis und den Emitter des zweiten Transistors (Qi) eingefügte Diode (Di) enthält,
daß die drei Impedanzelemente (Ru R₂, Ri) eine Reihenschaltung bilden, deren Enden mit dem Kollektor bzw. dem Emitter des zweiten Transistors (Qi) verbunden sind, und

daß die zwei Mittenabgriffe der drei Impedanzelemente (R\_} R% Ri) mit den Basen des ersten und fünften Transistors (Q₄, Qs) verbunden sind (vgl. Fig. 6),

6. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine weitere Diode (D]) zwischen dem Kollektor des fünften Transistors (Qs) undder Anode des PNPN-Schalters (S)(yg\. F i g. 8).

7. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Basis und der Kollektor des ersten Transistors (Q₄) mit der Kathode des PNPN-Schalters (S)bzw. der N-Basis des dritten Transistors (Qx) verbunden sind,

daß der Kollektor und der Emitter des zweiten Transistors (Qi) mit der p-Basis des vierten Transistors (Q₂) bzw. dem Emitter des ersten Transistors (Q₄) verbunden sind, und
daß die Basis des zweiten Transistors (Qi) mit der N-Basis des dritten Transistors (Q\) über das kapazitive Element verbunden ist (vgl. F i g. 7).

8. Halbleiterschalterkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der PNPN-Schalter (S) mit einem P-Kollektorbereich aus einem sechsten, einem siebten und einem achten Transistor (Qu Q₂, Qb) besteht,

daß der sechst und der achte Transistor (Qu Qb) einen gemeinsamen Emitter, eine gemeinsame Basis und einen Mehrfach-Kollektor haben,

daß die Basis und der Kollektor des ersten Transistors (Q₄) mit der Kathode bzw. der Anode des PNPN-Schalters ^verbunden sind,

daß der Kollektor und der Emitter des zweiten Transistors (Qi) mit der P-Basis des siebten Transistors (Q₂) bzw. dem Emitter des vierten Transistors. (Q₄) verbunden sind, und

daß die Basis des zweiten Transistors (Qi) mit dem P-Kollektorbereich des achten Transistors

verbunden ist (vgl. F i g. 8).