DE3024390A1

DE3024390A1 - Feldeffekttransistor-steuereinrichtung

Info

Publication number: DE3024390A1
Application number: DE19803024390
Authority: DE
Inventors: Arlon D Kompelien
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-07-02
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1981-01-15
Also published as: CA1154089A; IT1127506B; US4280069A; FR2461407A1; GB2053610A; IT8049143A0

Description

302439Q

-A-

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung einer Feldeffektransistoranordnung nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. In jüngster Zeit sind Feldeffekttransistoranordnungen entwickelt worden, die in der Lage sind, bedeutende elektrische Leistungen zu schalten. Eine solche Feldeffektransistoranordnung liegt in Form eines bilateralen Feldeffekttransistors mit isolierter Steuerelektrode vor. Diese Anordnung besitzt einen relativ geringen Spannungsabfall bei einem bestimmten sie durchfließenden Strom, wobei die Anordnung einen Stromfluss in beiden Richtungen gestattet. Die Anordnung kann ferner mit geringer Leistung und durch das Anlegen relativ kleiner Spannungen vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand und umgekehrt gebracht werden. Zur näheren Information bezüglich dieser Feldeffektransistoranordnungen sei auf die US-Patentsehriften 4 148 046, 4 148 047 und 4 152 714 verwiesen.

Die Umschaltung derartiger bilateraler Feldeffektransistoren mit isolierter Steuerelektrode erfordert einen effektiven Kurzschluss der Steuerelektrode mit der Substratelektrode, um die Anordnung vollständig auszuschalten. Das Anlegen eines Potentiales an die Steuerelektrode mit einem gegenüber der Schwellwert-Schaltspannung größerem Wert bringt die Halbleiteranordnung in einen voll stromführenden Zustand. Bei einem Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode vom p-Kanal-Anreicherungstyp wird die positivere Elektrode normalerweise als Quelle und die negativere Elektrode als Senke bezeichnet. Um einen solchen bilaterialen Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode in den eingeschalteten Zustand zu bringen, ist es erforderlich, daß die Steuerelektrode um wenigstens die Schwellwertspannung negativer als die Quelle wird. Diese Schwellwertspannung bewegt sich normalerweise in der Größenordnung von 2 Volt. Um die Feldeffekttransistoranordnung auszuschalten, ist es erforderlich, die Steuerelektrode mit der Substratelektrode zu verbinden, wodurch in

Q30063/0901

302439Q

der Praxis die Steuerelektrode mit der Quellenelektrode kurzgeschlossen wird, da die Substratelektrode normalerweise auf dem Potential der Quellenelektrode gehalten wird.

Die Schaltcharakteristik von bilateralen Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode ist dergestalt, daß ein besonderer Betätigungsschaltkreis erforderlich ist. Derartige Betätigungs- und Steuerschaltkreise sind in der älteren DE-OS 29 51 293 dargestellt und beschrieben. Die dort dargestellten und beschriebenen Schaltkreise beinhalten alle im großen und ganzen eine Spannungsquelle, die zwischen die Steuerelektrode und die Substratelektrode geschaltet werden kann. Ebenso kann ein über einen internen Stromkreis aufladbar er Kondensator verwendet werden, dessen Spannung zwischen die Steuer- und die Substratelektrode geschaltet werden kann. Im bekannten Fall ist die Ladung dieses Kondensators zum Schalten einer einzigen zugeordneten Last und einer einzigen Feldeffekttransistoranordnung verfügbar.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Steuerung einer Feldeffekttransistoranordnung dahingehend zu verbessern, daß mehrere Lastschaltkreise aus einer einzigen Hilfsspannungsquelle gesteuert werden können. D.ie Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Spannungsversorgung angegeben, die von den internen Anschlüssen des Feldeffekttransistors unabhängig ist, so daß mehrere Lasten unabhängig durch mehrere Feldeffekttransistoranordnungen gesteuert werden können. Hierbei wird eine einzige Spannungsquelle für das Schalten der Steuerspannung verwendet.

Q30063/09Q1

302439α

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine bekannte Steuereinrichtung in schematischer Darstellung;

Fig.2 eine weitere bekannte Steuereinrichtung in schematischer Darstellung;

Fig.3 eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung für eine einzelne Last;

Fig.4 eine gegenüber Figur 3 modifizierte erfindungsgemäße Steuereinrichtung; und

Fig.5 eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung,die bei me.hr er en Lasten von einer einzigen Spannungsquelle Gebrauch macht.

Gemäß Figur 1 ist ein vereinfachtes Schaltungsschema einer Steuereinrichtung für eine Feldeffektransistoranordnung 10 dargestellt. Die Feldeffektransistoranordnung 10 umfaßt hierbei einen bilateralen Feldeffektransistor mit isolierter Steuerelektrode. Hierbei besteht die Feldeffekttransistoranordnung 10 bei einer typischen SchaItanwendung aus mehreren integrierten Feldeffekttransistoren, die zueinander parallel geschaltet sind. Im vorliegenden Fall ist die Feldeffekttransistoranordnung 10 als ein einziger Feldeffekttransistor dargestellt, der eine Quellen/Senkenstrecke 11 mit einem Paar von Elektroden^anschlüssen 12 und 13 aufweist. Diese Anschlüsse 12 und 13 bilden die Senken- und Quellenelektroden der Feldef fektransistoranordnung 10. Bei der dargestellten Anordnung handelt es sich um eine p-Kanalanordnungjbei der die Quelle die positivere Elektrode und die Senke die negativere Elektrode aufweist. Da die Feldeffektransistoranordnung 10 mit

030063/0901

Wechselspannung betrieben wird, weisen die Elektroden 12 und 13 abwechselnd negatives und positives Potential auf. Die Quellen- und Senkenelektroden vertauschen sich daher in Abhängigkeit von der angelegten Wechselspannung. Bei der vorliegenden Beschreibung wird die Senken/Quellenstrecke 11 als stromführender Kanal der Anordnung 10 angesehen, die eine bilaterale Feldeffekttransistoranordnung mit isolierter Elektrode ist.

Die Feldeffektransistoranordnung 10 besitzt ferner eine Elektrode 14, die elektrisch isoliert ist, und eine Substratelektrode 15, die in einem gemeinsamen Schaltkreis mit verschiedenen Substratelementen anderer integrierter Schaltkreiselemente verbunden werden kann. Zwischen der Kanalstrecke 11 und der Substratelektrode 15 ergibt sich ein Paar von parasitären Verbindungen 16 und 17, die innerhalb der Feldeffekttransistoranordnung 10 als Dioden wirken. Die parasitären Verbindungen 16 und 17 sind in der Lage Strom zu führen; sie werden aber normalerweise nicht als stromführende Elemente benutzt, wie dies im Zusammenhang mit der Steuereinrichtung gemäß Figur 2 hervorgeht. Ihre Gegenwart dient der weiteren Erläuterung der Betriebsweise der Feldeffektransistoranordnung 10.

Die Elektrode 12 ist über einer Leitung 20 an irgendeine Art von Last 21 angeschlossen, die ihrerseits mit einer Wechselspannungsquelle 22 verbunden ist. DerAnschluss 13 ist an die andere Seite der Wechselspannungsquelle 22 über eine Leitung angeschlossen. Es liegt auf der Hand, daß bei leitender Kanalstrecke 11 die Last 21 aus der Quelle 22 gespeist wird, während bei gesperrter Kanalstrecke 11 die Last 21 von der Quelle 22 abgetrennt ist. Die Feldeffektransistoranordnung 10 wird in den lei'tenden bzw. in den nicht leitenden Zustand gebracht, indem die Steuerelektrode 14 mit einem Schalter 24 verbunden wird, der einem "Aus"-Kontakt 25 und einen "Ein*-Kontakt 26

030063/0901

302439Q

aufweist. Der"Aus"-Kontakt 25 ist über eine Leitung 27 mit der Substratelektrode 15 der Feldeffekttransistoranordnung 10 verbunden. Die Leitung 27 ist ferner über eine Batterie 28 mit dem "Ein"-Kontakt 26 verbunden.

Die Wirkungsweise der Steuereinrichtung gemäß Figur 1 ist folgende: Wenn sich der Schalter 24 in der dargestellten Stellung befindet, wobei die Substratelektrode 15 mit der Steuerelektrode 14 kurzgeschlossen ist, so befindet sich die Feldeffekttransistoranordnung 10 im nichtleitenden Zustand. In diesem Zustand fließt kein Strom über die Kanalstrecke 11. Es ist die Eigenschaft eines Feldeffekttransistors vom p-Kanaltyp, daß dieser nur in den leitenden Zustand gelangt, wenn die Steuerelektrode 14 mit ihrem Potential die Schwellwertspannung des Feldeffekttransistors 10 erreicht oder negativer als diese ist. Die normale Schwellwertspannung beträgt ungefähr 2VoIt. Bei dem Schaltkreis gemäß Figur 1, bei welchem die Steuerelektrode 14 mit der Substratelektrode 15 verbunden ist, kann die Differenz zwischen der Steuerelektrode 14 und den Elektroden 12 und 13 niemals größer als ein Diodenspannungsabfall (die Diodenspannungsabfälle der parasitären Dioden 16 bzw.17) der angelegten Spannung sein. Somit kann bei einem Kurzschluss der Substratelektrode 15 mit der Steuerelektrode 14 die Spannung an der Steuerelektrode 14 niemals die Spannung an den Elektroden 12 bzw.13 um mehr als o,5 Volt übersteigen, wobei die Polarität der auftretenden Spannung durch die Polarität der angelegten Wechselspannung festgelegt ist.

Wenn der Schalter 24 mit dem Kontakt 26 verbunden wird, so wird eine Batterie 28 zwischen die Substratelektrode 15 und die Steuerelektrode 14 geschaltet. Die Batterie 28 besitzt eine Spannung, die die Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoranordnung 10 übersteigt. Die Polarität der Batterie 28 ist dergestalt, daß die Spannung an der Steuerelektrode 14 gegenüber

030063/0901

der Substratelektrode 15 negativ wird, wobei der Unterschiedsbetrag durch die Spannung der Batterie 28 vorgegeben ist und die Schwellwertspannung übersteigt, so daß die Kanalstrecke 11 in den leitenden Zustand gelangt, wodurch die Last 21 an die Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen wird.

Es ist somit ersichtlich, daß die Feldeffekttransistoranordnung mit der bekannten Steuereinrichtung als ein Ein/Aus-Schalter verwendet kann, um eine Last in einem Wechselstromkreis zu steuern.

In Figur 2 ist eine bekannte Steuereinrichtung dargestellt, bei der eine Batterie wie in Figur 1 nicht erforderlich ist. Ferner ist dort eine Feldeffekttransistoranordnung 1O¹ dargestellt, die mehr einer praktischen Ausführung entspricht. Die Feldeffekttransistoranordnung 10' umfaßt die gleiche Feldeffekttransistoranordnung wie in Figur 1, wobei jedoch ein Paar von Feldeffektransistoren 30 und 31 hinzugefügt ist, welche den parasitären Dioden 16 und 17 parallel geschaltet sind.Der Feldeffekttransistor 30 ist mit seiner Steuerelektrode 32 über eine Leitung 33 an die Elektrode 13 der Feldeffekttransistoranordnung 10' angeschlossen. Der Feldeffekttransistor 31 ist mit seiner Steuerelektrode 34 über eine Leitung 35 an die Elektrode 12 der Feldeffektransistoranordnung 10' angeschlossen. Die Feldeffektransistoren 30 und 31 werden benutzt, um die Wirkung der parasitären Verbindungen 16 und 17 auszuschalten, wodurch ein Stromfluss durch diese bei der Verwendung der Feldeffektransistoranordnung 10' vermieden wird. Dies ist eine erwünschte Betriebsweise und diese Anordnung bildet daher die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Feldeffektransistoranordnung. Aus Gründen der Vereinfachung macht jedoch die in den Figuren 3 bis 5 dargestellte Erfindung von der Feldeffekttransistoranordnung 10 gemäß Figur 1 Gebrauch.

030063/0901

Die Feldeffekttransistoranordnung 3 0' ist über die Leitung 20 an die Last 21 und über die Leitung 23 an die Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen. Die Steuerelektrode 14 ist an den Schalter 24 angeschlossen, der einen "Aus"-Kontakt 25 und einen "Ein"-Kontakt 26 besitzt. Der "Aus"-Kontakt 25 ist erneut über die Leitung 27 an die Substratelektrode 15 der Feldeffektransistoranordnung 10' angeschlossen. Die Feldeffekttransistoranordnung 10' besitzt wiederum eine Senken/Quellen-Kanalstrecke 11. Bis hierhin entspricht die Anordnung derjenigen in Figur 1. Die in Figur 2 dargestellte bekannte Anordnung benutzt einen Kondensator 3 6 und ein Paar von Dioden 37 und 38, die eine Aufladung des Kondensators 36 durch den Strom gestatten, der durch die internen Feldeffekttransi · stören 30 und 31 in Abhängigkeit von deren Betriebszustand bezogen wird. Die Ladung auf dem Kondensator 3 6 ist über eine Leitung 40 mit dem "Ein"-Kontakt 26 des Schalters 24 verbunden .

Die Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Figur 2. ist derjenigen des Schaltkreises gemäß Figur 1 sehr ähnlich. Wenn der Schalter 24 mit dem "Aus"-Kontakt 25 verbunden ist, so ist die Substratelektrode 15 mit der Steuerelektrode 14 der Feldeffekttransistoranordnung 10' kurzgeschlossen, wodurch diese im ausgeschalteten Zustand gehalten wird. Das Substrat wird auf dem Quellenpotential durch die Feldeffekttransistoren 30 bzw. 31 je nach Polarität der zwischen den Elektroden 12 und 13 der Feldeffektransistoranordnung 10' angelegten Spannung gehalten. Wenn die Anschlusselektrode 12 positiv und die Anschlusselektrode 13 negativ ist, so wird ein positives Potential an die Kanalstrecke des Feldeffekttransistors 30 angelegt, während die Steuerelektrode 32 über die Leitung 33 direkt mit der negativen Anschlusselektrode 13 verbunden ist. Hierdurch gelangt der Feldeffekttransistor 30 in den leitenden Zustand. Der Stromfluss erfolgt über die Kanalstrecke des FeId-

030063/0901

302A39Q

effekttransistors 30 zu der Substratelektrode 15,wodurch der Kondensator 3 6 aufgeladen wird und der Ladestrom über die Diode 38 zurück zu der Spannungsquelle 22 fließt. Dieser Ladepfad ist bei ausgeschalteter Feldeffekttransistoranordnung 10' wirksam. Wenn sich die Polarität der Wechselspannungsquelle 22 umkehrt und die Anschlusselektrode 13 in Bezug auf die Anschlusselektrode 12 positiv wird, so gerät der Feldeffekttransistor 31 in den leitenden Zustand, da seine Steuerelektrode 34 über die Leitung 35 mit der Anschlusselektrode 12 verbunden ist, wodurch ebenfalls ein Ladestrom über den Kondensator 36 und die Diode 37 zu der Wechselspannungsquelle 22 fließt.

Es ist somit ersichtlich, daß durch das Anlegen eines Wechselspannungspotentials an die Feldeffektransistoranordnung 10' eine Ladestrecke für den—Kondensator 3 6 in Verbindung mit den Dioden 37 und 3 8 gebildet wird, so daß ein negatives Potential an dem "Ein"-Kontakt 26 des Schalters24 zur Verfügung steht. Wenn der Schalter 24 mit dem "Ein"-Kontakt 26 verbunden wird, so wird die über dem Kondensator 3 6 anstehende Spannung zwischen der Substratelektrode 15 und der Steuerelektrode 14 angelegt, wodurch die Steuerelektrode 14 hinreichend negativ wird, um die Feldeffektransistoranordnung 10' in den leitenden Zustand zu bringen, in welchem ein Strom über die Kanalstrecke 11 fließt.

Der Schaltkreis gemäß Figur 2 gibt ein sehr einfaches und billiges Beispiel einer Steuereinrichtung für den Betrieb einer einzelnen Feldeffekttransistoranordnung,bei der keine andere Spannungsquelle für das Schalten erforderlich ist. Wenn eine Spannung zum Schalten des Schalters 24 erforderlich ist, oder wenn eine Gruppe von Feldeffektransistoranordnungen 10' benutzt wird,um mehrere Lasten 21 zu steuern, so bildet der Schaltkreis gemäß Figur 2 keine befriedigende Lösung.

030063/0901

3 O 2 4 3 9 Q

Figur 3 zeigt eine demgegenüber verbesserte Steuereinrichtung für eine Feldeffekttransistoranordnung 10. Soweit bei dieser und den folgenden noch zu beschreibenden Steuereinrichtungen Elemente benutzt werden, die mit den in den Figuren 1 und 2 benutzten Elementen übereinstimmen, werden diese mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Feldeffektransistoranordnung 10 besitzt erneut Anschlusselektroden 12 und 13 im Zusammenhang mit einer Kanalstrecke 11. Eine Steuerelektrode 14 ist zusammen mit einer Substratelektrode 15 vorhanden. Die parasitären Dioden 16 und 17 sind der Vollständigkeit halber ebenfalls dargestellt. Die Kanalstrecke 11 ist erneut über die Anschlusselektroden 12 und 13 an eine Last 21 und an eine Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen. Die Last 21 kann durch irgendeine Art einer elektrischen Last vorgegeben sein, wie beispielsweise durch ein Relais, das beispielsweise eine Heizanlage in Form eines Ofens steuert.

Die Steuerelektrode 14 ist über eine Leitung 40 an einen Feldeffekttransistor 41 angeschlossen, der seinerseits über eine Leitung 42 mit der Substratelektrode 15 der Feldeffektransistoranordnung 10 verbunden ist. Der Feldeffektransistor 41 besitzt eine Steuerelektrode 43, die über einen Widerstand 44 mit der Leitung 42 verbunden ist. Die Steuerelektrode 43 ist ferner über einen Widerstand 45 an einen Schalttransistor 46 angeschlossen, der eine Basis 47 und einen Emitter 48 aufweist. Der Emitter 48 ist über eine Leitung 50, einen Widerstand 51, eine Diode 68 und eine Leitung 52, die alle in Reihe geschaltet sind j an die Last 21 und die Wechselspannungsquelle 22 angeschlossen. Der Feldeffekttransistor 41 ist ferner mit seiner Kanalstrecke an die Leitung 40 und andererseits an einen Widerstand 53 angeschlossen, der mit einem Schalttransistor 54 verbunden ist, welcher eine Basis 55 und einen Emitter 56 aufweist, wobei der Emitter 56 an die Leitung 50 und den Widerstand 51 angeschlossen ist.

030063/0901

Ein zustandsabhängiger Schaltkreis 60 besitzt Ausgangsleitungen 61 und 62, die an die Basiselektroden 47 und 55 der Schalttransistoren 46 und 54 angeschlossen sind. Der zustandsabhängige Schaltkreis 60 kann beispielsweise durch einen temperaturabhängigen Brücken- und Verstärkerschaltkreis vorgegeben sein, der die Last 21 steuert. Die Art des Zustandes, auf den der zustandsabhängige Schaltkreis 60 anspricht,ist solnage ohne Bedeutung wie die Last 21 mit dem zustandsabhängigen Schaltkreis 60 kompatibel ist. Der zustandsabhängige Schaltkreis 60 besitzt an seinem Ausgang ein Differential-Schaltverhalten, was bedeutet, daß beim Vorliegen einer Spannung auf der Leitung 61 eine Spannung auf der Leitung 62 fehlt. Wenn der zustandsabhängige Schaltkreis 60 beispielsweise durch eine digital arbeitende Vorrichtung vorgegeben ist, so wird der Signalzustand auf den Leitungen 61 und 62 den Digitalzustand "0" bzw."1" einnehmen, wodurch einer der beiden Transistoren 46 bzw. 54 in den leitenden und der jeweils andere Transistor in den gesperrten Zustand gebracht wird. Der zustandsabhängige Schaltkreis 60 ist über Eingangsleitungen 62 und 64 parallel zu einer Energiespeichereinrichtung in Form eines Kondensators 65 geschaltet. Der Kondensator 65 ist mit seinem negativen Belag über die Diode 68 an die Leitung 52 und mit seinem positiven Belag über eine Leitung 66 an die Anschlusselektrode 12 der Feldeffekttransistoranordnung 1O und an eine Leitung 67 angeschlossen, die ihrerseits mit der Wechselspannungsquelle 22 verbunden ist.

Die Wirkungsweise des Steuersystemes für die Feldeffekttransistoranordnung 10 sei im folgenden erläutert. Es sei angenommen, daß die Wechselspannungsquelle 22 verfügbar ist, daß die Last 21 durch eine Heizanlage vorgegeben ist und daß ferner der zustandsabhängige Schaltkreis 60 ein die Temperatur erfassender Schaltkreis ist. Die Speisung der Last 21 hängt von dem Schaltzustand der Feldeffekttransistoranordnung ab. Wie im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert wurde, kann die Feldeffekttransistoranordnung 10 vom leitenden in einen nichtleitenden Zustand und

030063/0901

302439Q

umgekehrt umgeschaltet v/erden, indem die Spannung zwischen der Steuerelektrode 14 und der Substratelektrode 15 entsprechend gesteuert wird. Tatsächlich ist bei einer p-Kanalanordnung die Substratelektrode 15 niemals um mehr als einen Diodenspannungsabfall negativer als die Quelle, wobei die Quelle in Abhängigkeit von der Polarität der Spannungsquelle 22 durch die jeweils positivere Anschlusselektrode 12 bzw. 13 vorgegeben ist. Der DiodenspannungsS-b.fall wird hierbei durch die parasitären Verbindungen 16 bzw. 17 hervorgerufen.

Der zustandsabgängige Schaltkreis 60 besitzt an seinem Ausgang d.h. auf den Leitungen 61 und 62 ein Differentialschaltverhalten. Nimmt man zuerst einmal an, daß der zustandsabhängige Schaltkreis 60 ein Ausgangssignal auf der Leitung 61 führt und auf der Leitung 62 kein Ausgangssignal besitzt, so befindet sich der Transistor 46 im leitenden Zustand. Hierbei fließt ein Strom von der Anschlusselektrode 12 über die Feldeffektransistoranordnung 10 zu der Leitung 42 und über den Widerstand 44, wodurch an der Steuerelektrode 43 des Feldeffekttransistors 41 ein inbezugauf die Leitung 42 negatives Potential gebildet wird. Der Strom fließt weiter über den Widerstand 45, den Transistor 46 und den Widerstand 51 zurück zu der Spannungsquelle 22. Die Stromführung des Transistors 46 und der daraus resultierende Spannungsabfall über dem Widerstand 44 bringt den Feldeffekttransistor 41 in den leitenden Zustand, wodurch die Steuerelektrode 14 mit der Substratelektrode 15 kurzgeschlossen wird. Wie zuvor erläutert wurde, befindet sich in diesem Fall die Feldeffekttransistoranordnung im gesperrten Zustand, so daß kein Strom über die Senken/Quellen-Kanalstrecke 11 fließt. Somit ist die Last 21 von der Energiezufuhr abgetrennt.

In dem Fall, wo der zustandsabhängige Schaltkreis 60 einen Zustand erfaßt, der eine Speisung der Last 21 erfordert, sind die Signalverhältnisse auf den Leitungen 61 und 62 gerade vertauscht.

0 30 0 63/090 1

302A390

-4 5-

Das Ausgangssignal auf der Leitung 61 nimmt das niedrige Potential ein, während ein positives Ansteuerpotential auf der Leitung 62 auftritt. Hierdurch, wird sofort der Transistor 46 gesperrt, wodurch der Spannungsabfall über dem Widerstand 44 verschwindet, der den Feldeffekttransistor 41 in den leitenden Zustand brachte. Der Transistor 54 besitzt nunmehr ein Ansteuerpotential an seiner Basis 55, das ihn in den leitenden Zustand bringt, wodurch ein Strompfad von der Steuerelektrode 14 zu der Leitung 52 gebildet wird. Wenn die Wechselspannungsquelle 22 ein positives Potential an die Leitung 67 und ein negatives Potential an die Leitung 52 anlegt, so befindet sich die Steuerelektrode 14 gegenüber der Quellenelektrode.12 auf negativem Potential. Hierdurch gelangt die Feldeffekttransistcranordnung 10 in den voll stromführenden Zustand, so daß die Last 21 mit Energie gespeist wird. Wenn die Wechselspannungsquelle 22 ihre Polarität umkehrt, so daß die Leitung 52 positiv in Bezug auf die Leitung 67 wird, so ist es erforderlich, die Steuerelektrode 14 gegenüber der Quellenelektrode 13 um mehr als die Schwellwertspannung von ungefähr 2 Volt negativer zu machen. Dies geschieht, indem die über dem Kondensator 65 auftretende Spannung über den Transistor 54 angelegt wird, so daß der Spannungsabfall zwischen Steuerelektrode 14 und Quellenelektrode 13 für einen stromführenden Zustand der Feldeffekttransistoranordnung 10 hinreichend negativ wird. Wenn sich das Potential der Wechselspannungsquelle 22 wiederum umkehrt, so stellt sich wieder der eingangs geschilderte Zustand ein.

Es ist somit erkennbar, daß zu jeder Zeit₍wo die Wechselspannungsquelle 22 ihr Potential umkehrt, eine hinreichend negative Spannung an die Steuerelektrode 14 angelegt wird. Dies geschieht,indem entweder die Wechselspannungsquelle direkt oder die Spannung des Kondensators 65 an die Steuerelektrode 14 angelegt wird. Der Kondensator 65 wird über die Leitung 66 und die Diode 68 in einer Weise geladen, die vollständig unabhängig von dem inneren Aufbau der Feldeffekttransistoranordnung 10 ist. der Kondensator 65 liefert ferner das nötige Ansteuer-

030063/0901

302439Q

-depotential für den zustandsabhängigen Schaltkreis 60,und der unabhängig aufgeladene Kondensator 65_fder in keiner Weise an die Substratelektrode 15 der Feldeffekttransistoranordnung 10 angebunden ist, ist daher in der Lage, sowohl die erforderliche Steuerspannung für die Feldeffekttransistoranordnung 10 als auch gleichzeitig die erforderliche Speisespannung für den zustandsabhängigen Schaltkreis 60 zu liefern.

In Figur 4 ist ein gegenüber dem Steuersystem gemäß Figur 3 modifiziertes Steuersystem dargestellt. Für übereinstimmende Komponenten werden die gleichen Bezugsziffern verwendet. Der Hauptunterschied zwischen den Steuersystemen gemäß den Figuren 3 und 4 liegt darin, daß in Figur 4 ein Paar von Feldeffekttransistoren 70 und 71 anstelle der konventionellen Transistoren 46 und 54 gemäß Figur 3 verwendet wird. Die Verwendung von Feldeffekttransistoren 70 und 71 eröffnet die Möglichkeit₍ das gesamte Steuersystem in einem einzigen Substrat zu integrieren. Die Möglichkeit der Integration bildet einen weiteren Grundjden Kondensator aus dem Substratschaltkreis zu entfernen, wie dies bei der bekannten Anordnung gemäß Figur 2 der Fall ist. Bei der Anordnung gemäß Figur 3 ist es unkritisch, daß die Substratspannung an der Substratelektrode 15 im ausgeschalteten Zustand der Anordnung während eines Halbzyklus der Wechselspannungsquelle 22 positiver als das Potential auf irgendeiner Seite der Energiespeichereinrichtung 65 wird. In Figur 4 ist eine weitere Modifikation dargestellt worden, bei der eine weitere Diode 72 und ein weiterer Kondensator 73 angeordnet sind. Die Diode 72 ist mit dem Kondensator 73 verbunden und so gepolt, daß der Kondensator 73 bei dem entgegengesetzten Halbzyklus von der Wechselspannungsquelle 22 aufgeladen wird.Zusammen mit dem Kondensator 65 und der Diode 68 für die Gleichrichtung der jeweils anderen Halbwelle ergibt sich somit eine Vollwellengleichrichtung. Die Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Figur 4ist grundsätzlich die gleiche

030063/0901

wie diejenige gemäß Figur 3 und soll daher nicht wiederholt werden. Lediglich hinsichtlich der Steuertransistoren 70 und ist zu bemerken, daß deren Steuerelektroden nunmehr so positiv wie das Potential des Substrates gemacht werden müssen, dapit diese in den gesperrten Zustand gelangen.

In Figur 5 sind zwei Steuersysteme 75 und 76 dargestellt. Jedes Steuersystem steuert jeweils eine Feldeffekttransistoranordnung 10. Jede Feldeffekttransistoranordnung 10 steuert die Speisung einer getrennten Last 21 aus einer gemeinsamen Wechselspannung squelie22. Die Steuersysteme sind jeweils zueinander identisch und sie v/erden gemeinsam unter Verwendung einer einzigen Energiespeichereinrichtung und Gleichrichteranordnung in Form des Kondensators 65 und der Diode 68 betrieben. Da die Steuersysteme 75 und 76 einander gleich sind und dem Steuersystem gemäß Figur 3 entsprechen, ist diesbezüglich keine detaillierte Beschreibung erforderlich. Es sei darauf verwiesen, daß die zustandsabhängigen Schaltkreise 60 über einen Anschluss 63 mit dem positiven Belag des Kondensators 65 verbunden sind und daß sie mit ihren Anschlüssen 64 über eine gemeinsame Leitung 77 an den negativen Belag des Kondensators 65 angeschlossen sind. Es liegt somit auf der Hand, daß eine beliebige Anzahl zustandsabhängiger Schaltkreise 60 mit einem gemeinsamen Logikschaltkreis verbunden werden kann und durch eine einzige Spannungsquelle betrieben werden kann, um mehrere Feldeffekttransistoranordnungen 10 mit zugeordneten Lasten 21 anzusteuern. Da der Kondensator 65 und die Diode 68 unabhängig von der Substratelektrode 15 geschaltet sind, gibt es keine nachteilige Zwischenwirkung zwischen den verschiedenen Schaltkreisen 7 5 und 76, wie dies bei der bekannten Anordnung gemäß Figur 2 der Fall wäre. Bei der Verwendung einer- Vielzahl von Steuersystemen ist es lediglich eine Frage der Bemessung des Kondensators 65 und der Diode 68, um den geringen Energiebetrag zu gewährleisten, der für die Ansteuerung der Halbleiterschaltkreise bei der Steuerung der verschiedenen Lasten erforderlich ist.

030063/0901

-'fr-Leerseite

Claims

HONEYWELL INC. 27.Juni 1980

Honeywell Plaza 1007456 Ge

Minneapolis, Minn. USA HZ/umw

Feldeffekttransistor-Steuereinrichtung

Patentansprüche:

Einrichtung zur Steuerung einer Feldeffekttransistoranordnung zwischen einem gesperrten und einem leitenden Zustand, wobei die Feldeffekttransistoranordnung mit ihrer Quellen/Senkenstrecke in Reihe zu einer Wechselspannungsquelle und einer Last geschaltet ist und eine Steuerelektrode und eine Substratelektrode aufweist, mit einer Energierspeichereinrichtung und einer an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Gleichrichteranordnung zur Bildung einer Hilfsenergie, gekennzeichnet durch einen an die Energiespeichereinrichtung (65) angeschlossenen zustandsabhängigen Schaltkreis (60) zur Betätigung einer Halbleiter-Schalteinrichtung (41,46,54), welche an die Substratelektrode (15), an die Steuerelektrode (14) und die Quellen/Senkenstrecke (11) angeschlossen ist, um eine Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Quellen/Senkenstrecke zu steuern und die Feldeffekttransistoranordnung (10) zwischen dem gesperrten und dem leitenden Zustand umzuschalten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter «-Schalteinrichtung drei Halbleiterschalter (41,46,54) umfaßt, wobei der erste

030063/0901

ORIGINAL INSPECTED

Halbleiterschalter (41) zwischen der Steuerelektrode (14) und der Substratelektrode (15) der Feldeffekttransistoranordnung (10) angeordnet ist, der zweite Halbleiterschalter (46) den ersten Halbleiterschalter (41) steuert und der dritte Halbleiterschalter (54) die Steuerelektrode (14) der Feldeffekttransistoranordnung (10) mit der Quellen/Senkenstrecke derselben verbindet, wenn der erste Halbleiterschalter (41) gesperrt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste und zweite Halbleiterschalter (46,54) eine Differentialschalteinrichtung bilden.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter durch Feldeffekttransistoren (43,70,71) gebildet werden.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeichereinrichtung und die Gleichrichteranordnung durch einen KondensatorC65) und eine Diode(.68) vorgegeben sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Energiespeichereinrichtung und die Gleichrichteranordnung durch ein Paar von Kondensatoren (65,73) und ein Paar von Dioden (68,72) vorgegeben sind, um eine Vollwellengleichrichtung zu erzielen.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Anordnung

030083/0901

302439Q

mehrerer Feldeffekttransistoranordnungen (10) zur Speisung mehrerer Lasten (21) aus einer Wechselspannungsquelle (22), wobei jeder Feldeffekttransistoranordnung (10) ein zustandsabhängiger Schaltkreis (60) und eine Halbleiterschalteinrichtung (41,46,54) zugeordnet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (46,54) der Differentialschalteinrichtung im Ein/Aus-Zustand betrieben werden.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeichereinrichtung (65) und die Gleichrichteranordnung (68) direkt an die Wechselspannungsquelle (22) angeschlossen sind, und daß der zustandsabhängige Schaltkreis (60) über die Halbleiter-Schalteinrichtung (41,46,54) die Spannung an der Substratelektrode jeweils unabhängig von dem Wechselspannungspotential an der Quellen/Senkenstrecke steuert.

030063/0901