DE2812355A1

DE2812355A1 - Waermeempfindliches, lichtgesteuertes halbleiter-schaltsystem

Info

Publication number: DE2812355A1
Application number: DE19782812355
Authority: DE
Inventors: Stanley V Jaskolski; Robert W Lade; Herman P Schutten
Original assignee: Cutler Hammer World Trade Inc
Current assignee: Cutler Hammer World Trade Inc
Priority date: 1977-03-21
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1978-10-05
Also published as: GB1570674A; JPS53116481A; US4119845A; FR2385267A1; FR2385267B1

Description

Beschreibung

Es ist bekannt, ein Temperaturfühlerelement, etwa einen Thermistor, in Wärmeübertragungs-Beziehung mit einem Thyristor anzuordnen, indem man den Thermistor auf dem Thyristorgehäuse montiert. Der Thermistor wird dabei in den Zündsteuerkreis des Thyristors eingeschaltet, um den Thyristorstrom zur Temperaturkompensation zu regeln, d.h. um die Thyristortemperatur unter einem Wert zu halten, bei dem Beschädigungen auftreten. Es ist ferner bekannt, einen Thermistor in wärmeübertragender Berührung mit einer Halbleitereinrichtung anzuordnen und dabei den Thermistor in den Gate-Kreis des Halbleiters einzuschalten, um zu verhindern, daß der Halbleiter-Übergang zu heiß wird. Ferner ist es bekannt, einen wärmeempfindlichen Thyristor in Wärmeübertragungs-Beziehung mit einer Last anzuordnen und ihn so anzuschließen, daß er den lasterregenden Thyristor steuert. Weiterhin ist es bekannt, einen Thyristor über sein Gate mit Hilfe einer Lichtquelle zu steuern, die als ein in den Gate-Kreis des Thyristors eingeschaltetes lichtempfindliches Element arbeitet.

Die bekannten Systeme mögen für ihre jeweiligen Bestimmungszwecke nützlich sein. Der Erfindung liegt die generelle Aufgabe zugrunde, gewisse Nachteile, wie sie bei vergleichbaren Geräten nach dem Stand der Technik auftreten, mindestens teilweise zu beseitigen. Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein wärmeempfindliches, lichtgesteuertes Halbleiter-Schaltsystem zu schaffen. Eine speziellere Aufgabe liegt darin, einen einteiligen, eigengeschützten, lichtempfindlichen Festkörper-Leistungsschalter anzugeben. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es ferner, einen lichtempfindlichen Festkörper-Leistungsschalter mit einer temperaturabhängigen Schutzeinrichtung vorzusehen. Ferner soll ein lichtempfindlicher Festkörper-Leistungsschalter mit temperaturempfindlicher Steuereinrichtung angegeben werden. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es ferner, einen lichtempfindlichen HaIc-

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leiter-Leistungsschalter mit thermisch einleitbarer Einschalteinrichtung oder einen solchen mit thermisch sperrbarer Einschalteinrichtung zu schaffen. Dabei soll die thermisch einleitbare bzw. thermisch sperrbare Einschalteinrichtung direkt auf die Temperatur dieses Leistungsschalters ansprechen. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es weiterhin, ein lichtempfindliches Halbleiter-Leistungsschaltsystem mit einer temperaturempfindlichen Lichtdurchgangs-Steuereinrichtung zu schaffen. Diese Lichtdurchgangs-Steuereinrichtung soll dabei das den Schalter betätigende Licht entweder auf und oberhalb, in einem anderen Fall dagegen unterhalb" einer vorgegebenen Temperatur durchlassen. In einem weiteren Fall soll das Betätigungslicht innerhalb eines oder mehrerer vorgegebener Temperaturbereiche durchgelassen werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Schaltsystem ein lichtempfindliches Leistungs-Schalt- oder Steuerelement auf, etwa einen lichtempfindlichen steuerbaren Siliziumgleichrichter, einen Zweiweg-Photothyristor, einen Phototransistor oder dergleichen, das normalerweise durch Licht ein- oder ausgeschaltet wird, wobei dieses Licht von einer gesteuerten Lichtquelle, etwa einer Leuchtdiode, einer Neonlampe, einer Glühlampe oder dergleichen, auf das Schaltoder Steuerelement gekoppelt wird. Das auf das lichtempfindliche Element treffende Licht wird von einem wärmeempfindliehen Lichtsteuerelement, etwa einem Flüssigkristall-Element gesteuert. Das Lichtsteuerelement kann dabei die Temperatur des lichtempfindlichen Leistungs-Schalt- oder Steuerelanaats direkt erfassen, wenn die beiden Elemente einstückig ausgebildet sind, so daß sich in diesem Fall eine eigengeschützte kombinierte Vorrichtung ergibt. Andererseits kann das Lichtsteuerelement auch getrennt ausgebildet und so angeordnet sein, daß es die Temperatur einer externen Quelle erfaßt, die gegebenenfalls durch das lichtempfindliche Leistungs-Schalt- oder Steuerelement gesteuert wird, so daß dieses Element in diesem Fall durch die Temperatur gesteuert wird. In den verschiedenen Systemen kann mit unterschiedlichen

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Typen von temperaturempfindlichen Lichtsteuerelementen oder derartige Elemente umfassenden Kombinationen gearbeitet werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines wärmeempfindlichen, lichtgesteuerten Halbleiter-Leistungsschaltsystems, bei dem die wärmeempfindliche Einrichtung als integrierter Flüssigkristall-Film auf dem lichtgesteuerten Halbleiter-Schalterelement in direkter Wärmeübergangs-Beziehung mit diesem ausgebildet ist; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines wärmeempfindlichen, lichtgesteuerten Halbleiter-Leistungsschaltsystems , bei dem die wärmeempfindliche Einrichtung als Flüssigkristall ausgebildet ist, der die Temperatur einer externen Wärmequelle erfaßt und das auf das Leistun^s-Schaltelement auftreffende Licht steuert; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines thermisch einleitbaren Einschaltsystems, bei dem in den Lichtpfad ein Flüssigkristall der Klasse A eingeschaltet ist; Fig. 4 eine schematische Darstellung eines thermisch sperrbaren Einschaltsystems, bei dem ein Flüssigkristall der Klasse B in den Lichtpfad eingeschaltet ist; Fig. 5 eine schematische Darstellung eines thermisch sperrbaren Einschaltsystems, bei dem ein Flüssigkristall der Klasse A in den Lichtpfad eingeschaltet ist, bzw. eines thermisch einleitbaren Einschaltsystems, falls ein Flüssigkristall der Klasse B verwendet wird und ein normales Steuersignal vorhanden ist;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines thermisch sperrbaren Einschaltsystems mit einem Flüssigkristall der Klasse B bzw. eines thermisch einleitbaren Einschaltsystems, falls ein Flüssigkristall der Klasse A verwendet wird, der ein Einschalten verhindert, wenn die Temperatur unter einen vorgegebenen Wert absinkt; Fig. 7 eine als AB-Vorrichtung bezeichnete Flüssigkristallvorrichtung, bei der es sich um eine Mischkombination aus

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Flüssigkristallen der Klassen A und B handelt und bei der der übergang zwischen Lichtundurchlässigkeit und Lichtdurchlässigkeit bei vorgegebenen Temperaturen stattfindet;

Fig. 8 eine als BA-Vorrichtung bezeichnete Flüssigkristall-Vorrichtung, bei der es sich um eine Kombination oder ein Gemisch von Flüssigkristallen der Klassen B und A handelt und vorgegebene Abschnitte und Ubergangstemperaturen zwischen Durchlässigkeit und Undurchlässigkeit vorhanden sind; und

Fig. 9 ein Diagramm mit Kurven, die Bänder oder "Fenster" der thermischen Aktivierung und Entaktivierung bei Verwendung der AB- und BA-Vorrichtungen nach Fig, 7 bzw. in den Systemen der Fig. 3 bis 6 anstelle der dort vorgesehenen Flüssigkristalle zeigen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten wärmeempfindlichen, lichtgesteuerten Halbleiter- Leistungsschaltsystem wird eine Lichtquelle 2 über ein Leiterpaar 4 von einer elektrischen Energiequelle beaufschlagt; dies bildet den Steuereingang des Systems. Leuchtet die Lichtquelle 2, so arbeitet das System in folgender Weise unter Normalbedingungen.

Das Licht der Lichtquelle 2 durchsetzt eine Lichtsteuereinrichtung und tritt auf ein lichtempfindliches Element 6, Bei der Lichtsteuereinrichtung handelt es sich um einen wärmeempfindlichen Flüssigkristall LC in Form eines dünnen Films, der an der benachbarten Oberfläche des lichtempfindlichen Elements angeklebt oder in sonstiger Weise angebracht ist. Mit dem lichtgesteuerten Leistungsschaltelement 6 ist eine Last L verbunden, die über Versorgungsleitungen L1 und L2 von einer Wechselstromquelle gespeist wird.

Bei einer gegebenen Temperatur ist die Lichtsteuereinrichtung LC so stark transparent, daß genügend Licht (durch die Pfeile 8 angedeutet) hindurchtritt und auf das lichtgesteuerte Element 6 auftrifft. Dieses Licht bewirkt, daß das Element 6 einschaltet und Strom zur Speisung der Last L hindurchläßt.

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Bei dem lichtgesteuerten Element 6 kann es sich um einer. Photothyristor, etwa einen lichtempfindlichen steuerbaren Siliziumgleichrichter oder einen Zweiweg-Photothyristor, einen Phototransistor oder dergleichen handeln, der von auftreffendem Licht zur Steuerung der Speisung einer Last gesteuert wird.

Erreicht die wärmeempfindliche Einrichtung LC etwa durch Wärmeübergang von dem Leistungssteuerelement 6 einen anderen Temperaturwert, so wird es derart undurchsichtig, daß dann nicht mehr genügend Licht hindurchtritt, um das Element 6 einzuschalten. Somit wird eine thermische Abschaltung des Elements 6 bewirkt, die die Last von der Energieversorgung abschaltet.

Findet der Wärmeübergang direkt von dem Leistungssteuerelement 6 auf das Lichtsteuerelement LC statt, so arbeitet die Anordnung als eigengeschütztes System, das verhindert, daß das Leistungssteuerelement eine Temperatur erreicht, bei der es zerstört wird. Sobald also das Leistungssteuerelement bei Verwendung in einem Stromkreis zur Speisung einer Last

ZO sich einer zu hohen Temperatur nähert, wird es von dem Element LC ausgeschaltet, so daß es sich abkühlt. Nach Abkühlen des Elements LC gestattet dieses wieder ein Einschalten des Leistungssteuerelements 6.

Das in Fig. 2 gezeigte System ist dem nach Fig. 1 ähnlich mit Ausnahme der Tatsache, daß das wärmeempfindliche Element LC nicht direkt von dem Leistungsschaltelement 11 sondern von einer externen Quelle 10 erwärmt wird. In Fig. 2 werden für gleiche Bauelemente entsprechende Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Bei der Lichtquelle 2 kann es sich um eine

3C Leuchtdiode, eine Neonlampe, eine Glühlampe oder dergleichen handeln. Wird die Lichtquelle 2 von einer Energiequelle über die Leiter 4 mit Strom beaufschlagt, so passiert das so erzeugte Licht das wärmeempfindliche Element LC und trifft auf das Leistungsschalteiement 1¹, so daß dieses einschaltet.

?~ Wird vor der Quelle 10 auf das Element LC Wärme übertragen,

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so dai3 sich die Temperatur des Elements LC ändert und dieses undurchsichtig wird, so unterbricht es den Lichtstrom so weit, daß das Element 11 abgeschaltet wird. Die externe Wärmequelle kann dabei von einem getrennten Wärmeerzeuger gebildet sein 5 oder von der Last L oder indirekt vom Lastkreis erwärmt werden. Das Element 11 nach Fig. 2 ist dem Element 6 nach Fig. ähnlich, nur daß der Flüssigkristall-Film abgenommen ist.

Fig. 3 zeigt die Verwendung einer Flüssigkristall-Einrichtung der Klasse A in einem thermisch einleitbaren Leistungs-Einschaltsystem, das als Thermostat für Anwendungsfälle bei niedrigen Temperaturen verwendet werden könnte. In diesem System wird eine Leuchtdiode LED über Leiter 12 von einer elektrischen Energiequelle beaufschlagt. Bei Beaufschlagung emittiert die Leuchtdiode Licht, wie durch die Pfeile 13 angedeutet, das auf einen Photοthyristor 14, beispielsweise einen Zweiweg-Photothyristor, fällt. Dieser Thyristor liegt in Serie mit einer Last L und über Leitungen L1 und L2 an einer Wechselstromquelle. In den Lichtpfad zwischen der Leuchtdiode und dem Photothyristor ist ein Flüssigkristall der Klasse A eingeschaltet. Bei diesem Flüssigkristall der Klasse A handelt es sich um ein Flüssigkristallelement, das so gebaut ist, daß es bei niedriger Temperatur lichtundurchlässig ist, jedoch bei einer vorgegebenen höheren Temperatur T1 durchsichtig wird. Diese Temperatur T1 kann innerhalb der vom Aufbau des Flüssigkristalls abhängigen Grenzen jeden beliebigen Wert haben.

Bei niedriger Temperatur ist das Element A-LC zunächst undurchsichtig und sperrt das Licht gegenüber dem Photothyristor 14, so daß dieser ausgeschaltet bleibt.

Steigt die Temperatur des Elements A-LC auf den Wert T1, so wird es durchsichtig und läßt genügend Licht hindurch, um den Photothyristor 14 einzuschalten und damit die Last L an die Versorgung anzuschalten. Auf diese Weise vermittelt das System einen thermisch einleitbaren Leistungs-Einschalter, da der Temperaturanstieg des Flüssigkristallelements ein Ein-

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schalten der Last bewirkt.

Fig. 4 zeigt die Verwendung einer Flüssigkristalleinrichtung der Klasse B zur Erzeugung eines thermisch sperrbaren Leistungs-Einschaltsystems zur Verwendung als Hochtemperatur-Thermostat. In Fig. 4 werden für entsprechende Bauelemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 3 verwendet. In dem System nach Fig. 4 wird eine Leuchtdiode über Leiter 12 aus einer elektrischen Energiequelle gespeist. Bei Beaufschlagung emittiert die Leuchtdiode LED Licht gemäß den Pfeilen 13, das auf einen Photothyristor 14, etwa einen Zweiweg-Photothyristor, fällt, der in Serie mit einer Last L und über Leitungen L1 und L2 an einer Wechselstromquelle liegt. In den Lichtpfad zwischen der Leuchtdiode und dem Photothyristor ist ein Flüssigkristall der Klasse B eingeschaltet. Bei diesem Flüssigkristall der Klasse B handelt es sich um ein Flüssigkristallelement, das so gebaut ist, daß es bei niedriger Temperatur durchsichtig ist, jedoch bei einer vorgegebenen höheren Temperatur T2 undurchsichtig wird. Bei dieser Temperatur T2 kann es sich um die gleiche oder eine andere Temperatur wie bei der oben erwähnten Temperatur T1 des Flüssigkristalls der Klasse A handeln; generell kann die Temperatur T2 innerhalb der vom Aufbau des Flüssigkristalls abhängigen Grenzen jeden beliebigen Wert haben.

Bei niedriger Temperatur ist das Flüssigkristallelement B-LC zunächst durchsichtig und läßt Licht zu dem Photothyristor hindurch, so daß die Last eingeschaltet ist. Steigt die Temperatur des Elements B-LC auf den Wert T2, so wird dieses undurchsichtig und sperrt das Licht gegenüber dem Phototransistor, so daß dieser abschaltet und die Last von der Energiequelle trennt. Bei diesem Leistungs-Einschaltsystem handelt es sich somit um ein thermisch sperrbares System, da es bei steigender Temperatur abschaltet. Ordnet man das Element B-LC in enger thermischer Berührung mit einem Leistungsschalter an, der optisch betätigt werden soll, so

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wird der eingeschaltete Zustand oberhalb einer kritischen Temperatur gesperrt, so daß also ein thermischer Überlastschutz vermittelt wird.

Fig. 5 zeigt ein System, bei dem ein thermisch gesteuerter Phototransistor der Gate-Elektrode eines elektrisch gesteuerten Leistungs-Schalttransistors parallelgeschaltet ist, Wie im folgenden näher erläutert, vermittelt dieses System in Abhängigkeit davon, ob in dem Lichtpfad ein Flüssigkristall der Klasse A oder der Klasse B verwendet wird, entweder eine thermisch sperrbare oder thermisch einleitbare Leistungs» Schaltfunktion.

Zunächst sei angenommen, daß in der Schaltung nach Fig» ein Flüssigkristall der Klasse A verwendet wird. Eine Leuchtdiode LED wird über Leiter 12 von einer elektrischen Energie-

15" quelle beaufschlagt und emittiert Licht gemäß den Pfeilen 13, das auf einen Photothyristor 16 fällt. Der Photothyristor liegt zwischen einer Eingangsklemme 18 und der Kathode eines Leistungs-Schaltthyristors 20. Die Eingangsklemme 18 ist ferner über zwei in Serie geschaltete Dioden D in deren Durchlaßrichtung niedriger Impedanz an die Steuerelektrode des Thyristors 20 angeschbssen. In Serie mit dem Thyristor 20 ist eine Last L über Leitungen L1 und L2 mit einer Wechselstromquelle verbunden. Wie durch den Pfeil 22 angedeutet, steht ein Flüssigkristallelement 24 in direkter V/ärmeübergangs-Beziehung mit dem Thyristor 20 und vermittelt somit einen Eigenschutz gegen thermische Überlastung.

Da es sich bei dem Flüssigkristall 24 um einen solchen der Klasse A handelt, der bei niedriger Temperatur undurchsichtig ist, gelangt zunächst nicht genügend Licht an den Photothyristor 16, so daß dieser abgeschaltet ist. Ein elektrisches Signal an der Eingangsklemme 18 steuert daher den Leistungs-Schaltthyristor 20 in den leitenden Zustand, so daß die Last eingeschaltet wird.

Steigt die Temperatur des Thyristors 20 so weit an, daß die Wärmeleitung auf den Flüssigkristall 24 diesen durchsichtig mach, so schaltet das jetzt auf den Photothyristor

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treffende Licht diesen ein, so daß der Gate-Kreis des Leistungs-Schaltthyristors 20 kurzgeschlossen wird. Daher wird der Thyristor 20 abgeschaltet und die Last von der Energiequelle getrennt bzw. als Eigenschutz verhindert, daß der Leistungstransistor während thermischer Überlastungen aufgesteuert wird. Die einen Stromfluß in umgekehrter Richtung sperrenden Dioden D vermitteln einen ausreichenden Spannungsabfall, um den Spannungsabfall am Photothyristor 16 unschädlich zu machen und sicherzustellen, daß der Leistungs-Schaltthyristor 20 abgeschaltet wird, wenn der Photothyristor 16 leitend wird..Auf diese Weise wird eine thermische Sperri'unktion erreicht.

Alternativ kann in der Schaltung nach Fig. 5 ein Flüssigkristall der Klasse B verwendet werden, um eine thermisch eingeleitete Einschaltung der Last zu erzielen. Unter dieser Bedingung fällt, da der Flüssigkristall 24 bei niedrigen Temperaturen transparent ist, Licht von der Leuchtdiode LED durch den Flüssigkristall auf den Photothyristor 16 und schaltet diesen ein. Der Photothyristor schließt den Gate-Kathoden-Kreis des Leistungs-Schaltthyristors 20 kurz, so daß die Last abgeschaltet bleibt.

Wird nun Wärme von einer externen Quelle dem Flüssigkristall 24 zugeführt, so wird dieser bei einer kritischen Temperatur so undurchsichtig, daß er das Licht gegenüber dem Photothyristor 16 sperrt und diesen abschaltet. Durch Beseitigung des Kurzschlusses kann nun das elektrische Signal an der Eingangsklemme 13 den Leistungs-Schalttransistor aussteuern, so daß die Last eingeschaltet wird. Auf diese Weise wird eine thermisch einleitbare Einschaltung der Last durchgeführt. Fig. 6 veranschaulicht ein System, bei dem ein thermisch gesteuerter Photothyristor in Serie mit der Steuerelektrode eines elektrisch angesteuerten Leistungs-Schaltthyristors liegt, Dieses System kann in Abhängigkeit davon, ob in dem Lichtpfad ein Flüssigkristall der Klasse B oder der Klasse A verwendet wird, entweder eine thermisch sperrbare oder thermisch einleixbare Leistungs-Einschalti'unktion vermittein.

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Während die Gate-Nebenschlußeinschaltung des Photothyristors in Fig. 5 bei einem Flüssigkristall der Klasse A eine thermisch sperrbare Funktion und mit einem Flüssigkristall der Klasse B eine thermisch einleitbare Funktion ergibt, bewirkt die Serien-Einschaltung des Photothyristors in Fig. 6, wie nachstehend im einzelnen erläutert, das Gegenteil, nämlich eine thermisch sperrbare Funktion mit einem Flüssigkristall der Klasse B und eine thermisch einleitbare Funktion mit einem Flüssigkristall der Klasse A.

Zunächst sei angenommen, daß in der Schaltung nach Fig. 6 ein Flüssigkristall der Klasse B verwendet wird. Von einer elektrischen Energiequelle wird über Leiter 12 eine Leuchtdiode LED beaufschlagt, deren mit den Pfeilen angedeutetes Licht auf einen Photothyristor 26 fällt. Der Photothyristor 26 liegt zwischen einer Eingangsklemme 28 und der Steuerelektrode eines Leistungs-Schaltthyristors In Serie mit dem Thyristor 30 ist eine Last L über Leitungen L1 und L2 an eine Wechselstromquelle angeschlossen. In den Lichtpfad zwischen der Leuchtdiode und dem Photothyristor ist ein Flüssigkristallelement 32 eingeschaltet.

Da das Flüssigkristallelement 32 ein solches der Klasse B darstellt und daher bei niedrigen Temperaturen transparent ist, durchsetzt das Licht dieses Element 32 und trifft auf den Photothyristor 26, so daß dieser einschaltet. Daher gelangt ein elektrisches Signal von der Eingangsklemme 23 durch den Photothyristor an die Steuerelektrode des Leistungs-Schaltthyristors 30 und bewirkt eine Beaufschlagung der Last L. Wird dem Flüssigkristallelement 32 Wärme zugeführt, so wird es bei einer vorgegebenen Temperatur undurchsichtig und sperrt das Licht gegenüber dem Phototransistor. Dadurch wird der Phototransistor nicht-leitend und schaltet gemäß der oben erwähnten thermisch sperrbaren Funktion die Last ab. Ist das Flüssigkristallelement in Wärmeübergangs-Beziehung an den Leistungsthyristor gekoppelt, so bewirkt diese Schaltung einen Eigenschutz gegen thermische Überlastung.

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Alternativ kann für das Element 32 in Fig. 6 ein Flüssigkristall der Klasse A verwendet werden, um eine thermisch eingeleitete Einschaltung der Last zu erzielen. Da das Flüssigkristallelement 32 nun bei niedrigen Temperatüren undurchsichtig ist, ist die Last normalerweise abgeschaltet. Wird dem Element 32 Wärme zugeführt, so wird es durchsichtig und läßt Licht an den Photothyristor 26 hindurch, so daß dieser leitend wird. Infolgedessen gelangt ein Eingangssignal von der Klemme 28 zur Steuerelektrode des Leistungs-Schaltthyristor 30, um diesen einzuschalten und die Last zu beaufschlagen. Auf diese Weise wird eine thermisch eingeleitete Einschaltfunktion erzielt.

Wärme kann auf das Flüssigkristallelement 32 in Fig. direkt von dem Thyristor 30, von der Last oder von einer externen Wärmequelle übertragen werden.

In den Fig. 7 und 3 sind Flüssigkristalle der Klassen AB und BA schematisch dargestellt. Diese Flüssigkristalle bilden Kombinationen oder Gemische von Materialien der Klassen A und B in vorgegebenen Mengen und Anordnungen, um die in dem Diagramm nach Fig. 9 gezeigten Funktionen zu realisieren.

In dem Diagramm nach Fig. 9 nimmt das Licht-Transmissionsvermögen nach oben in Richtung der Y-Achse zu, während die Temperatur in Grad Celsius nach rechts längs der X-Achse zunimmt. Die gestrichelte Kurve gibt die Kennlinie eines Flüssigkristallelements der Klasse AB, die ausgezogene Linie diejenige eines Flüssigkristalls der Klasse BA wieder. Wie ersichtlich, bilden beide Kurven "Fenster" mit hohem bzw. niedrigem Transmissionsvermögen. In der Kurve AB ist angenommen, daß die Temperatur T1, bei der der Materialanteil der Klasse A in dem Flüssigkristallelement der Klasse AB transparent wird, niedriger ist als die Temperatur T2, bei der der Mäterialanteil der Klasse B undurchsichtig wird. Entsprechend ist für die Kurve BA angenommen, daß die Temperatur T1, bei der der Materialanteil der Klasse B in dem Flüssigkristallelement der Klasse BA undurchsichtig wird,

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niedriger ist als die Temperatur T2, bei der der Materialanteil der Klasse A transparent wird.

Wie aus der gestrichelten Kurve AB in Fig. 9 hervorgeht, ist das Flüssigkristallelement bei und unterhalb der Temperatur T1 im wesentlichen lichtundurchlässig. Bei zunehmender Temperatur steigt das Licht-Transmissionsvermögen über einen vorgegebenen Temperaturbereich auf einen wesentlich größeren Wert. Steigt die Temperatur weiter auf oder nahezu auf den Wert T2, so sinkt das Transmissionsvermögen des Elements, bis dieses wieder im wesentlichen undurchsichtig wird. Auf diese Weise wird ein Bereich oder "Fenster" hohen Licht-Transmissionsvermögens erzielt.

Aus der ausgezogenen Kurve BA nach Fig. 9 geht andererseits hervor, daß das Flüssigkristallelement der Klasse BA bei und unterhalb der Temperatur T1 im wesentlichen transparent ist. Bei steigender Temperatur fällt das Transmissionsvermögen dieses Elements über einen vorgegebenen Temperaturbereich auf einen wesentlich niedrigeren Wert. Steigt die Temperatur weiterhin auf oder nahezu auf den Wert T2, so nimmt das Transmissionsvermögen des Elements wieder zu, und das Element wird schließlich vieder im wesentlichen transparent.

In der vorstehenden Beschreibung ist zu beachten, daß die Ausdrücke "durchsichtig" oder "transparent" und "undurchsichtig" relative Ausdrücke darstellen und daß die Änderungen, die in den Flüssigkristallelementen der Klassen AB und BA auftreten, keine absoluten sondern nur graduelle Änderungen sind. In Fig. 9 ist dieser Umstand dadurch angedeutet worden, daß die untersten Teile der beiden Kurven in einigem Abstand von der X-Achse des Diagramms und die obersten Teile in einigem Abstand unterhalb des größtmöglichen Transmissionsvermögens liegen. Das Maß, um das sich das Transraissionsvermögen mit der Temperatur des Elements ändert, ist jedoch effektiv und nutzbar, und der betreffende Photothyristor kann so gebaut werden, daß er auf das Maß der Änderung in dem auf ihn treffenden Licht anspricht.

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Claims

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PATENTANWÄLTE

SCHIFF _v. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-SOOO MÖNCHEN 95

Cutler-Hammer World Trade, Inc.

DA-5595 21. März 1973

Wärmeempfindliches, lichtgesteuertes Halbleiter-Schaltsystem

Patentansprüche

1. Elektrisches Leistungs-Schaltsystem zum Anschalten und Trennen einer Last an bzw. von einer elektrischen Energiequelle, gekennzeichnet durch eine ein lichtempfindliches Halbleiter-Schaltelement (6; 11; 14; 16; 26) enthaltende Einrichtung, die bei Betätigung die Speisung der Last (L) aus der Energiequelle steuert, eine Lichtquelle (2; LED), die im Normalbetrieb Licht emittiert, das das lichtempfindliche Halbleiter-Schaltelement betätigt, eine in den Lichtpfad zwischen der Lichtquelle und dem Halbleiter-Schaltelement eingefügte wärmeempfindliche, variable Lichttransmissionseinrichtung (LC; 24; 32), die das hindurchtretende Licht variiert, um das Halbleiter-Schaltelement in Abhängigkeit von Temperatur= änderungen der Lichttransmissionseinrichtung zu steuern,

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sowie eine Einrichtung, die variable Wärme auf die Lichttransmissionseinrichtung koppelt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Halbleiter-Schaltelement (6; 11; 14; 16; 26) enthaltende Einrichtung einen lichtempfindlichen Thyristor sowie Leitungen zur elektrischen Verbindung des Thyristors mit der Energiequelle und der Last (L) umfaßt,

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da.3 die Wärmekopplung auf die Lichttransmissionseinrichtung (LC) durch eine körperliche Befestigung der Lichttransmissionseinrichtung an dem Halbleiter-Schaltelement (6) als einstückige Struktur zum direkten Wärmeübergang ausgebildet ist. (Fig. 1)

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dad die Einrichtung zur Wärmekopplung auf die Lichttransmissions-

■ einrichtung (LC) eine mit dieser verbundene externe Wärmequelle (10) umfaßt. (Fig. 2)

5. System nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Lichttransmissionseinrichtung (LC) einen Flüssigkristall-Film umfaßt, der in direkter Berührung mit dem Halbleiter-Schaltelement (6) unter Bildung einer einstückigen Struktur angeordnet ist. (Fig. 1)

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6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall-Film (LC) bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig transparent ist und genügend Licht zur Betätigung des Halbleiter-Schaltelements (6) hindurchläßt, bei Ansteigen.seiner Temperatur auf einen vorgegebenen Wert jedoch verhältnismäßig undurchsichtig wird und somit ein thermisch eigengeschütztes Leistungs-Schaltsystem ergibt. (Fig. 1)

"7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichttransmissionseinrichtung (LC; 24; 32) ein Flüssigkristallelement umfaßt, das in einem ersten Temperaturbereich verhältnismäßig undurchsichtig ist und in einem anderen Temperaturbereich verhältnismäßig transparent wird, und das zur photoelektrischen Ansteuerung des Halbleiterschalt elements (11; 14; 16; 26) bei einem vorgegebenen Temperaturwert zwischen den beiden Temperaturbereichen betätigbar ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkris/tallelement (LC)ein solches der Klasse A ist, das bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig undurchsichtig ist und bei einem vorgegebenen Wert beim Temperaturanstieg verhältnismäßig transparent wird, um eine thermisch einleitbare Einschaltfunktion zu erzeugen. (Fig. 3)

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Q. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, da.? das Flüssigkristallelement (LC) ein solches der Klasse E ist, das bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig transparent ist und bei einem vorgegebenen Wert der steigenden Temperatur verhältnismäßig undurchsichtig wird, um eine thermisch sperrbare Einschaltfunktion zu erzeugen. (Fig. 4)

10. System nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dai3 das Flüssigkristallelement (LC) ein solches der Klasse BA ist, das bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig transparent ist, bei einem ersten vorgegebenen Wert der steigenden Temperatur verhältnismäßig undurchsichtig und bei einem zweiten vorgegebenen Wert noch höherer Temperatur wieder verhältnismäßig transparent wird, so daß bei steigender Temperatur ein "Fenster" mit verhältnismäßig geringem Lichttransmissionsvermögen erzielt wird.

11. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallelement (LC) ein solches der Klasse AB ist, das bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig undurchsichtig ist, bei einem ersten vorgegebenen Wert der steigenden Temperatur verhältnismäßig transparent und bei einem zweiten vorgegebenen Wert noch höherer Temperatur wieder verhältnismäßig undurchsichtig wird, so daß bei steigender Temperatur ein "Fenster" mit verhältnismäßig hohem Lichttransmissionsvermögen erzielt wird.

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12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die das Halbleiter-Schaltelement enthaltende Einrichtlang einen Thyristor-Leistungsschalter (20) zum Anschalten der Last (L) an die Energiequelle mit zwei Leistun°"G-klemmen und' einer Steuerklemme umfaßt, daß das lichtempfindliehe Halbleiter-Schaltelement (16) so eingeschaltet ist, daß es bei Betätigung die Steuerklemme gegen eine der Leistungsklemmen kurzschließt, und daß eine Eingangsklemme (18) zur Zuführung eines Steuersignals an die Steuerklemme des Thyristor-Leistungsschalters vorgesehen ist. (Fig. 5)

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die das Halbleiter-Schaltelement enthaltende Einrichtung einen Thyristor-Leistungsschalter (30) zum Anschalten der Last (L) an die Energiequelle umfaßt, der zwei Leistungsklemmen und eine Steuerklemme aufweist, daß eine Eingangsklemme (28) zur Zuführung eines Steuersignals an die Steuerklemme des Thyristor-Leistungsschalters vorgesehen ist, und daß das lichtempfindliche Halbleiter-Schaltelement (26) zwischen die Eingangsklemme und die Steuerklemme eingeschaltet ist. (Fig. 6)

14. System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallelement (24; 32) in direkter Wärmeübertragungs-Beziehung mit dem Thyristor-Leistungsschalter (20; 30) steht.

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