-
Die Erfindung betrifft ein statisches Relais, das
schnelle Schaltvorgänge durchführen kann.
-
Für statische Schaltanwendungen werden
Feldeffekttransistoren mit Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau (MOS-FET) als
Schaltelemente verwendet, um ihr schnelles Schaltvermögen
auszunutzen. Ein typisches Beispiel für solche statischen
Schaltgeräte oder Relais ist in der US-A-4,227,089 für Brown
et. al. gezeigt und beschrieben. Zu diesem Relais gehört eine
zwischen ein Paar Eingangsanschlüsse geschaltete Leuchtdiode
und ein Fotodiodenfeld, das in Reihe zwischen die
Gate-Elektrode und die Substrat-Elektrode eines
MOS-Feldeffekttransistors geschaltet ist. Das Fotodiodenfeld ist optisch mit der
Leuchtdiode gekoppelt, um eine Spannung als Reaktion auf
Strahlung von ihr zu erzeugen, wenn ein Vorwärtsstrom zu den
Eingangsanschlüssen geführt wird. Source und Drain
(stromführende Elektroden) des Transistors sind jeweils mit
einem Paar Ausgangsanschlüsse verbunden. Liegt keine Spannung
an, ist die Impedanz zwischen den Ausgangsanschlüssen hoch,
was einer offenen Schaltung entspricht; bei angelegter
Spannung ist die Impedanz gering, was geschlossenen Kontakten
entspricht. Ein Widerstand ist zwischen die Gate- und
Substrat-Elektrode (spannungsempfangende Elektroden) des
Transistors geschaltet, um in ihm gespeicherte Energie zu
entladen, so daß sich der Transistor als Reaktion auf das
Ausschalten der Leuchtdiode schnell ausschalten kann. Da aber
der Entladewiderstand ebenfalls parallel zum Fotodiodenfeld
geschaltet ist, tritt ein Spannungsabfall auf, der am
Transistor angelegt wird, was zu einer Erhöhung der Einschaltzeit
führt.
-
Ein weiteres statisches Relais ist in der US-A-4,390,790
für Rodriguez offenbart. Zu diesem Relais gehört ein MOS-
Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp als Schaltelement
und ein MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp mit
stromführenden Elektroden, die an die spannungsempfangenden
Elektroden des Schalttransistors angeschlossen sind, um eine
Entladestrecke zu bilden. Ferner gehört zu diesem statischen
Relais ein zweites Fotodiodenfeld, das optisch mit der
Leuchtdiode gekoppelt ist, um eine fotogenerierte Spannung zur
Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors vom
Verarmungstyp zu führen, um diesen als Reaktion auf das Einschalten der
Leuchtdiode auszuschalten. Die durch das erste Fotodiodenfeld
als Reaktion auf das Einschalten der Leuchtdiode erzeugte
Spannung bewirkt, daß sich der
Anreichungstyp-Schalttransistor einschaltet. Dadurch tritt in der vom ersten
Fotodiodenfeld zum Schalttransistor als Reaktion auf das Einschalten
der Leuchtdiode geführten Spannung kein Abfall auf. Ein
Entladewiderstand ist über das zweite Fotodiodenfeld
angeschlossen, um eine Entladung des Verarmungstyp-Transistors beim
Ausschalten der Leuchtdiode zu ermöglichen, damit er sich
einschalten kann, um eine Entladestrecke für die im
Anreicherungstyp-Schalttransistor gespeicherte Energie zu bilden. Da
die Impedanz der Entladestrecke wesentlich kleiner als beim
Entladewiderstand der US-A-4,227,098 ist, läßt sich ein
schnelleres Ausschalten erreichen.
-
Das statische Relais der US-A-4,390,790 kann im Hinblick
auf die Einschalt- und Ausschaltzeiten jedoch noch nicht
zufriedenstellen. Insbesondere neigt der im Normalfall
eingeschaltete Zustand des Verarmungstyp-Entladetransistors dazu,
das zweite Fotodiodenfeld negativ zu beeinflussen, so daß
dessen fotogenerierte Spannung als Reaktion auf den Empfang
einer Strahlung von der Leuchtdiode nicht steil ansteigen
kann. Außerdem stellt der über das zweite Fotodiodenfeld
angeschlossene Entladetransistor einen Umgehungsweg für den
Stromfluß dar, der in der Tendenz der Energiespeicherung an
der Gate-Elektrode des Verarmungstyp-Transistors
entgegenwirkt. Dadurch beträgt die Einschaltzeit des Verarmungstyp-
Transistors etwa 600 Mikrosekunden, was ein viel zu hoher
Wert für schnelle Schaltanwendungen ist. Auch beim
Ausschalten des Relais muß die im Verarmungstyp-Transistor
gespeicherte
Energie über den Widerstand entladen werden, bevor
sich der Anreicherungstyp-Schalttransistor ausschaltet. Eine
typische Ausschaltzeit beim bekannten statischen Relais
beträgt ebenfalls 600 Mikrosekunden.
-
In der DE-A-3502180, veröffentlicht am 1. August 1985,
die sich an die US-A-4,721,986 anlehnt, ist ein
Hochspannungs-Feldeffekttransistor mit Halbleiteraufbau und
bidirektionalem Ausgang (BOSFET) beschrieben, der durch die
elektrische Ausgabe eines fotovoltaischen Pakets einschaltet wird,
das durch eine LED aktiviert wird. Ebenfalls offenbart ist
das Verfahren zur Herstellung des Bauelements. Das BOSFET-
Bauelement besteht aus zwei seitlichen
Feldeffekttransistoren, die in einem implantierten N&supmin;-Gebiet in einem
P&supmin;-Substrat ausgebildet sind. Zwei im Abstand angeordnete
Drain-Gebiete speisen nach innen zu einem gemeinsamen
N&spplus;-Source-Gebiet, das von den Drains jeweils durch P-Diffusionen
abgetrennt ist. Die Oberfläche dieser Diffusionen kann durch
Anlegen von Spannung an die auf geeignete Weise angeordnete
Gate-Elektrode invertiert werden. Das Verarmungsfeld zwischen
Kanal- und Drain-Gebieten ist über die Oberfläche des
Bauelements gut angegrenzt. Der Source-Kontakt bleibt ständig zum
Potential des Gate-Kontakts geschlossen, so daß das
Bauelement zum Schalten von Hochspannungen beider Polaritäten
verwendet werden kann. Eine Diode, ein PNP-Transistor und ein
Widerstand sind im gleichen Chip integriert, der das
seitlichen BOSFET-Bauelement enthält, um eine statische
Relaisschaltung mit ähnlichen Merkmalen wie ein Reed-Relais zu
bilden. Die Diode definiert eine Vorwärtsdurchlaßstrecke von
einer fotovoltaischen Stapelspannungsquelle direkt zum BOSFET-
Gate, so daß die Kapazität des BOSFET-Gates beim Einschalten
schnell aufgeladen werden kann. Der PNP-Transistor ist ein
mit der Diode und dem Eingangswiderstand der Schaltung
gekoppelter hochverstärkender Transistor. Die Eingangsimpedanz der
Schaltung wird durch die Verstärkung des Transistors beim
Abschalten der fotoelektrischen Ausgangsspannung verringert,
und ihre Spannung fällt um etwa 0,6 Volt unter die
Gate-Spannung, um den Transistor einzuschalten. Dadurch kann sich der
BOSFET schnell ausschalten, so als hätte die Schaltung eine
relativ geringe Eingangsimpedanz. Offenbart wird eine weitere
Steuerschaltung mit einer dV/dt-Unterdrückungsklemmschaltung
und einer Ausschaltregenerationsschaltung.
-
Die US-A-4,481,434 beschreibt einen schnellen FET-
Schaltkreis zum Ausschalten, der durch regenerativ gekoppelte
Bipolartransistoren in der Gate-Schaltung des FET gebildet
wird, die durch Restladung in der Gate-Source-Kapazität des
FET bei dessen Ausschalten infolge des Wegfalls der
Gate-Ansteuerung einen verriegelten Durchlaßzustand einnehmen. Die
regenerativ gekoppelten Bipolartransistoren verbleiben im
verriegelten Durchlaßzustand, bis die Gate-Ladung des FET
erschöpft ist. Durch den Durchlaß der Bipolartransistoren kommt
es zur schnelleren Entladung des FET-Gates über sie, wodurch
ein schnelleres Ausschalten des FET ohne
Rückwärts-Steuerstrom und die zugehörige Hilfsstromversorgung erleichtert
wird.
-
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
verbessertes statisches Relais zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den
Unteransprüchen definiert.
-
Im Betrieb veranlaßt ein an Eingangsanschlüsse
angelegter Vorwärtsstrom eine Leuchtdiode zur Erzeugung einer
Strahlung, die ihrerseits bewirkt, daß eine Spannung durch ein
Fotodiodenfeld fotogeneriert wird. Die fotogenerierte Spannung
führt zur Vorspannung in Vorwärtsrichtung eines in eine
Richtung durchlassenden Bauelements und zur Vorspannung in
Rückwärtsrichtung des Steuer-Gates eines Thyristors, so daß sie
über das in eine Richtung durchlassende Bauelement an die
spannungsempfangenden Elektroden eines Transistors ohne
Energieverlust durch den Thyristor angelegt wird, wodurch der
Transistor schnell eingeschaltet werden kann. Nach Wegfall
des Vorwärtsstroms an den Eingangsanschlüssen führt eine
Spannungsdifferenz zwischen dem Fotodiodenfeld und dem
Transistor zur Vorspannung in Rückwärtsrichtung des in eine
Richtung durchlassenden Bauelements und zur Vorspannung in
Vorwärtsrichtung des Steuer-Gates des Thyristors, so daß ein
niederohmiger Pfad zum schnellen Entladen der im Transistor
gespeicherten Energie gebildet wird, was dessen Ausschalten
bewirkt.
-
Nachstehend werden nunmehr zum Verständnis der Erfindung
beitragende Anordnungen sowie die Erfindung in Form von
Beispielen veranschaulichende Anordnungen anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 ein Schaltbild eines statischen Relais;
-
Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten statischen Relais;
-
Fig. 3 ein Schaltbild eines dritten statischen Relais,
das die Erfindung aufweist;
-
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Einschalt- und
Ausschaltcharakteristika der Ausführungsform von Fig. 3;
-
Fig. 5 ein Schaltbild einer Abwandlung der
Ausführungsform von Fig. 3;
-
Fig. 6 ein Schaltbild einer Abwandlung der
Ausführungsform von Fig. 5; und
-
Fig. 7 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen
statischen Relais, das durch einen Chip in integrierter
Schaltung realisiert ist.
-
Fig. 1 zeigt eine statische Relaisschaltung 1, die eine
Leuchtdiode 2 mit einer Kathode und einer Anode aufweist, die
mit den Spulenanschlüssen eines elektromagnetischen Relais
entsprechenden Eingangsanschlüssen 3 bzw. 4 verbunden sind.
Ein Feld 5 aus Fotodioden 6 in Reihenschaltung ist zwischen
ein Paar aus einer positiven Elektrode 7 und einer negativen
Elektrode 8 geschaltet, wobei die positive Elektrode 7 mit
der Anode der Fotodiode an einem Ende des Felds verbunden
ist, während die negative Elektrode 8 mit der Kathode der
Fotodiode am anderen Ende des Felds verbunden ist. Vorgesehen
ist ein Paar doppeltdiffundierte Feldeffekttransistoren mit
Metall-Oxid-Halbleiter-Aufbau oder DMOSFET 9 und 10 mit
jeweils einer Gate-Elektrode 11, einem Paar stromführende
Elektroden (Source und Drain) 12 und 13 und einer
Substrat-Elektrode 14. Die Source-Elektroden 12a und 12b und die Substrat-
Elektroden 14a und 14b der Transistoren sind mit der
Elektrode
8 zusammengeschaltet, während die Drain-Elektroden 13a
und 13b mit Ausgangsanschlüssen 15 bzw. 16 der statischen
Relaisschaltung verbunden sind. Jeder DMOSFET 9 und 10 kann ein
Anreicherungstyp-Transistor oder ein Verarmungstyp-Transistor
sein.
-
Die Elektrode 7 ist mit der Anode einer Diode 17
verbunden, mit deren Kathode die Gate-Elektroden 11a und 11b der
Transistoren zusammengeschaltet sind. Über die Elektrode 8
und die Kathode der Diode 17 ist eine pnpn-Vierschichtdiode
oder ein vierpoliger Thyristor 18 angeschlossen, der eine
Anode 19, die mit der äußeren p-leitenden Schicht verbunden
ist, eine Kathode 20, die mit der äußeren n-leitenden Schicht
verbunden ist, ein negatives Gate 21, das mit der inneren
nleitenden Schicht verbunden ist, und ein positives Gate 22,
das mit der inneren p-leitenden Schicht verbunden ist,
aufweist. Die Anode 19 des Thyristors 18 ist mit der Kathode der
Diode 17 verbunden, während die Kathode 20 mit der Elektrode
8 verbunden ist. Ein Entladewiderstand 23 ist zwischen die
positive und negative Elektrode 7 und 8 geschaltet, damit die
Fotodioden 6 in ihnen entwickelte Spannung entladen können.
Das negative Gate 21 des Thyristors 18 ist mit der Elektrode
7 verbunden, während das positive Gate 22 mit der Elektrode 8
über einen Widerstand 24 verbunden ist. Durch die Verbindung
des negativen Gates 21 des Thyristors mit der positiven
Elektrode 7 wird dieser in einen Ausschaltzustand vorgespannt,
wenn das Fotodiodenfeld 5 eine Spannung darin erzeugt. Das
Fotodiodenfeld 5 ist optisch mit der Leuchtdiode 2 gekoppelt,
um von ihr emittierte Strahlung zu empfangen.
-
Nachfolgend wird nunmehr der Betrieb der statischen
Relaisschaltung von Fig. 1 beschrieben. Angenommen wird, daß
die DMOS-Feldeffekttransistoren 9 und 10 N-Kanal-Transistoren
vom Anreicherungstyp sind. Bei abwesendem Stromfluß zwischen
den Eingangsanschlüssen 3 und 4 wird keine Spannung über den
Feldelektroden 7 und 8 entwickelt, weshalb die Impedanz über
den Ausgangsanschlüssen hoch ist, was einem offenen
Kontaktzustand entspricht. Durch Anlegen eines Vorwärtsstroms
ausreichender Größe zwischen die Eingangsanschlüsse 3 und 4 wird
die Leuchtdiode 2 veranlaßt, Strahlung zu emittieren. Das in
Reihenschaltung aufgebaute Fotodiodenfeld 5 entwickelt über
die positive und negative Elektrode 7 und 8 eine Spannung,
die gleich der Summe der in jeder einzelnen Fotodiode
entwikkelten Spannung ist. Da die Spannung zwischen den
Feldelektroden 7 und 8 die Diode 17 in Vorwärtsrichtung und den
Thyristor 18 in Rückwärtsrichtung vorspannt, werden die Gate-
Elektroden 11a und 11b gegenüber den Substrat-Elektroden 14a
und 14b positiv, so daß ein niederohmiger Kanal zwischen den
Drain-Elektroden 13a und 13b aufgebaut wird, der einen
Stromkreis zwischen den Ausgangsanschlüssen 15 und 16
vervollständigt, was einem geschlossenen Kontaktzustand eines
elektromagnetischen Relais entspricht. Bei Wegfall des Vorwärtsstroms
an den Eingangsanschlüssen 3 und 4 verlischt die Strahlung
der Leuchtdiode 2, so daß die Spannung zwischen den
Feldelektroden 7 und 8 über den Widerstand 23 entladen wird, wodurch
die Diode 17 in Rückwärtsrichtung und die Kreuzung zwischen
Anode 19 und Gate 21 des Thyristors in Vorwärtsrichtung
vorgespannt wird. Die Vorwärtsspannung der Thyristorkreuzung
zwischen den Elektroden 19 und 21 resultiert aus der in den
Transistoren 9 und 10 gespeicherten Ladung. Das
Fotodiodenfeld 5 stellt einen niederohmigen Rückschluß zu den
Transistoren 9 und 10 dar, durch den die Spannung an den
Feldelektroden 7 und 8 schnell abfällt. Die Spannung zwischen den
Feldelektroden 7 und 8 sinkt unter die Spannungen an den
Gate-Elektroden 11a, 11b des Transistorpaars (typischerweise
0,6 Volt unter die Gate-Spannung), der Thyristor 18 wird
eingeschaltet und stellt einen niederohmigen Pfad zwischen der
Anode 19 und der Kathode 20 her, der wegen der
Thyristorregeneration solange aufrechterhalten wird, bis die Spannung
zwischen seiner Anode und Kathode auf eine Pegel von 1 Volt
abfällt. Dadurch werden die Spannungen an den Gate-Elektroden
des Transistorpaars schnell über den nunmehr durchlassenden
Thyristor 18 entladen. Durch das Einschalten des Thyristors
18 ergibt sich außerdem eine schnelle Entladestrecke für in
den Fotodioden 6 verbleibende Ladungen und über die Diode 17
entwickelte Ladungen. Gezeigt wurde, daß sich das statische
Relais der Erfindung mit einer Geschwindigkeit ausschaltet,
die zehnmal höher als beim bekannten statischen Relais ist.
Die Funktion des Widerstands 24 besteht darin, den Thyristor
18 in die Lage zu versetzen, den Einschaltzustand mit einer
gewünschten Ansprech- oder einer gewünschten
Störfestigkeitscharakteristik einzunehmen. Hat der Widerstand 24 einen
relativ hohen Wert, schaltet sich der Thyristor 18 bei einer
kleinen Gate-Stromschwelle ein, leidet aber unter einer
geringeren Störfestigkeit. Andererseits verschlechtert ein
niedriger Wert des Widerstands 24 die Ansprechcharakteristik
des Thyristors, verbessert jedoch sein
Störfestigkeitsverhalten. Somit muß für den Widerstand 24 ein Wert gewählt werden,
der einen Kompromiß zwischen den beiden konträren Faktoren
darstellt.
-
Eine zweite Ausführungsform eines statischen Relais ist
in Fig. 2 dargestellt, in der Fig. 1 entsprechende Teile mit
gleichen Bezeichnungen versehen sind. Abgesehen von
bestimmten Abwandlungen, ähnelt die zweite Ausführungsform der
ersten. Die Ausführungsform von Fig. 2 eignet sich für den
schnellen Betrieb, was durch Erhöhen der Stromtragfähigkeit
der Fotodioden ohne wesentliche Vergrößerung der von den
Fotodioden belegten Gesamtfläche erreicht wird. Zu dieser
Ausführungsform gehört ein zweites Feld 25 aus in Reihe
geschalteten Fotodioden 26 und eine zweite Diode 27, die in Reihe
zwischen die Gate-Elektroden 11a, 11b des Transistorpaars und
die negative Elektrode 8 geschaltet sind, wobei die Anode der
zweiten Diode 27 mit der Anode der Fotodiode an einem Ende
des zweiten Felds 25 verbunden ist, während die Kathode der
Diode 27 mit den Gate-Elektroden 11a, 11b verbunden ist. Die
negative Elektrode 8 ist mit der Kathode der Fotodiode am
anderen Ende des zweiten Felds 25 verbunden. In dieser
Ausführungsform sind die Fotodioden 6 des ersten Felds derart, daß
sie eine relativ hohe Spannung (wesentlich höher als die
Schwellenspannung der Transistoren 9 und 10) bei relativ
niedrigem Strom erzeugen können, während die Fotodioden 26
des zweiten Felds derart sind, daß sie eine relativ niedrige
Spannung (etwas höher als die Schwellenspannung) bei relativ
großem Strom erzeugen können. Wegen der relativ hohen
Stromtragfähigkeit steigen die durch die Fotodioden 26 als
Reaktion auf den Strahlungsempfang von der Leuchtdiode 2
erzeugten Spannungen schneller an als die durch die Fotodioden 6
erzeugten Spannungen.
-
Nachstehend wird der Betrieb der zweiten Ausführungsform
beschrieben. Durch Anlegen eines Vorwärtsstroms an die
Eingangsanschlüsse 3 und 4 emittiert die Leuchtdiode 2
Strahlung, die durch die Fotodioden beider Felder empfangen wird,
wodurch in ihnen Spannungen mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten entwickelt werden. Die durch das zweite
Fotodiodenfeld 25 entwickelte Spannung steigt schnell auf einen Wert
an, der etwas über dem Schwellenwert der Transistoren 9 und
10 liegt. Da das zweite Fotodiodenfeld 25 nicht am
Entladewiderstand 23 angeschlossen ist, tritt kein Spannungsabfall
auf, der an die Transistoren 9 und 10 angelegt wird. Daher
können sich die Transistoren schnell als Reaktion auf einen
an die Eingangsanschlüsse 3 und 4 angelegten Vorwärtsstrom
einschalten. Anschließend wird an die Transistoren 9 und 10
eine höhere Spannung angelegt, die durch das erste
Fotodiodenfeld 5 entwickelt wird. Da die Diode 27 in
Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, wird die höhere, anschließend erzeugte
Spannung an die Transistoren 9 und 10 mit einem leichten
Spannungsabfall durch die Diode 17 angelegt. Durch das
Anlegen dieser höheren Spannung wird verhindert, daß sich die
Transistoren 9 und 10 als Reaktion auf eine dem
Eingangssignal überlagerte Störung ausschalten. Nach Wegfall des
Vorwärtsstroms an den Eingangsanschlüssen 3 und 4 schalten sich
die Transistoren 9 und 10 bei auftretender Störung aus.
-
Fig. 3 veranschaulicht die Erfindung in einer weiteren
Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 1, wobei Fig. 1
entsprechende Teile gleiche Bezeichnungen tragen. Diese
Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten darin, daß sie
eine zweite Diode 30 mit ähnlicher Funktion wie die erste
Diode 17 verwendet und daß die Widerstände 23 und 24 entfallen.
Die Kathode der zweiten Diode 30 ist mit der negativen
Elektrode 8 und dem positiven Gate 22 des Thyristors 18
verbunden,
während die Anode der Diode 30 mit den
Substrat-Elektroden 14a, 14b der Transistoren 9 und 10 und der Kathode des
Thyristors 18 verbunden ist. Da auf einem Chip in
integrierter Schaltung Widerstandselemente eine wesentlich größere
Fläche als Dioden und Transistoren einnehmen, eignet sich
diese Ausführungsform wegen des Wegfalls der
Widerstandselemente für eine Realisierung als integrierte Schaltung.
-
Nachstehend wird der Betrieb des statischen Relais von
Fig. 3 beschrieben. Empfängt das Fotodiodenfeld 5 Strahlung
von der Leuchtdiode 2 als Reaktion auf einen Vorwärtsstrom an
den Eingangsanschlüssen 3 und 4, wird die durch das Feld
entwickelte Spannung über die Dioden 17 und 30 an die
Transistoren 9 und 10 angelegt. Da ein Stromfluß in Vorwärtsrichtung
der Dioden 17 und 30 vorliegt, werden das negative Gate 21
und das positive Gate 22 des Thyristors in Rückwärtsrichtung
gegenüber der Anode und Kathode vorgespannt. Dies verhindert
ein Einschalten des Thyristors als Reaktion auf starke
Störungen, die möglicherweise im Eingangssignal auftreten. Nach
Wegfall des Eingangsstroms an den Anschlüssen 3 und 4 sinkt
die Spannung über dem Fotodiodenfeld 5 durch Selbstentladung
der Fotodioden 6, und die Dioden 17 und 30 werden in
Rückwärtsrichtung vorgespannt, um einen Ausschaltzustand
einzunehmen. Dadurch schaltet das negative und positive Gate 21
und 22 des Thyristors 18 auf einen sehr hochohmigen Zustand
um. In diesem hochohmigen Zustand schaltet sich der Thyristor
leicht ein, wenn eine geringfügige Schwankung in den Strömen
zum negativen und positiven Gate 21 und 22 auftritt. Folglich
bewirkt eine leichte Spannungsreduzierung zwischen den
Feldelektroden 7 und 8 infolge der Selbstentladung der Fotodioden
6, daß das negative und positive Gate 21 und 22 gegenüber der
Anode 19 und der Kathode 20 in Vorwärtsrichtung vorgespannt
werden, um den Thyristor 18 einzuschalten; dadurch kann die
Spannung an den Gate-Elektroden 11a, 11b der Transistoren und
die durch das Feld 5 fotogenerierte Spannung schnell entladen
werden.
-
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Beziehung
zwischen der fotogenerierten Spannung und der Spannung zwischen
den Ausgangsanschlüssen 15 und 16 bei einem statischen Relais
gemäß der Ausführungsform von Fig. 3 mit folgenden
Betriebsparametern:
-
Widerstand zwischen den Ausgangsanschlüssen 15 und 16
während der Einschaltzeit der Transistoren 9 und 10 : 43 Ohm;
-
Kapazität zwischen den Gates 11a, 11b und den Source-
Elektroden 12a, 12b: 66 Picofarad;
-
Kapazität zwischen den Ausgangsanschlüssen 15 und 16:
25 Picofarad;
-
Rückwirkungskapazität zwischen den Gates 11a, 11b und
den Ausgangsanschlüssen 15, 16 : 18 Picofarad; und
-
Aufbau des Fotodiodenfelds 5 aus einer Matrix von 4 · 5
Fotodioden mit einer Oberfläche von jeweils 200 um · 200 um.
-
Eine Gleichspannung von 100 Volt wird zwischen den
Anschlüssen 15 und 16 über eine Lastimpedanz von 10 Kiloohm
angelegt, und ein Vorwärtsstrom von 10 Milliampere wird an die
Eingangsanschlüsse 3 und 4 angelegt. Als Reaktion auf
Strahlung von der Leuchtdiode 2 zum Zeitpunkt t&sub0; steigt die
fotogenerierte Spannung zwischen den Feldelektroden 7 und 8 von
Null auf 4,0 Volt, wonach sich die Transistoren 9 und 10
einschalten und ein Rückgang der Ausgangsspannung von 100 V
Gleichspannung auf Null einsetzt. Das statische Relais wird
mit einer Ansprechzeit von 200 Mikrosekunden eingeschaltet.
Beim Einschalten der Transistoren 9 und 10 steigt die
fotogenerierte Spannung wiederum auf einen gleichbleibenden Pegel
von 9,7 Volt. Nach Wegfall der Strahlung von der Leuchtdiode
2 zum Zeitpunkt t&sub1; sinkt die fotogenerierte Spannung vom
Gleichspannungspegel von 9,7 V auf einen Gleichspannungspegel
von 8,3 V infolge der Selbstentladung der Fotodioden 6 über
eine Zeitspanne von 15 Mikrosekunden. Der Thyristor 18 wird
eingeschaltet, wenn der Gleichspannungspegel von 8,3 V
erreicht ist, wodurch die Gate-Spannung der Transistoren 9 und
10 über den durchlassenden Thyristor 18 entladen werden kann,
so daß die fotogenerierte Spannung sowie die Gate-Spannung
der Transistoren 9 und 10 steil auf einen
Gleichspannungspegel von 2,0 V abfällt, wonach die Ausgangsspannung steil auf
den Gleichspannungspegel von 100 V am Ende einer Zeitspanne
von 30 Mikrosekunden nach dem Ausschalten der Leuchtdiode 2
ansteigt. Durch Verwendung eines Fotodiodenfelds mit
ausreichender Stromtragfähigkeit läßt sich eine Ausschaltzeit von
50 Mikrosekunden erreichen.
-
Die Ausführungsform von Fig. 3 kann dadurch vereinfacht
werden, daß eine der Dioden 17 und 30 weggelassen und für die
jeweils zugehörige Gate-Elektrode des Thyristors 18 ein
hochohmiger Zustand beibehalten wird. Durch Weglassen einer Diode
wird der Spannungsabfall vorteilhaft verringert, das
Störfestigkeitsverhalten jedoch verschlechtert.
-
Das statische Relais von Fig. 3 läßt sich gemäß Fig. 5
auch mit npn-Fototransistoren 50 und 51 anstelle der Dioden
17 und 30 realisieren. Entgegengesetzt leitende
Fototransistoren, d. h., vom pnp-Typ, können auch verwendet werden,
wobei ihre Kollektoren und Emitter gegenüber der Darstellung in
Fig. 5 umgekehrt angeschlossen sind. Die Fototransistoren 50
und 51 sind so angeordnet, daß die Basis jedes
Fototransistors Strahlung von der Leuchtdiode 2 empfängt, um einen
niederohmigen Pfad zwischen dem Fotodiodenfeld 5 und den
Schalttransistoren 9 und 10 aufzubauen. Da die Impedanz zwischen
Kollektor und Emitter jedes Fototransistors wesentlich
kleiner als die Impedanz zwischen Anode und Kathode einer Diode
ist, sind die an die Gate-Elektroden 21 und 22 des Thyristors
zum Einschalten angelegten Vorspannungen kleiner als in der
Ausführungsform von Fig. 3, was zu einer geringeren
Störfestigkeit führt. Es tritt jedoch kein an die
Schalttransistoren 9 und 10 anzulegender Spannungsabfall auf. Die
Ausschaltzeit dieser Ausführungsform ist etwas länger als bei der
Ausführungsform von Fig. 3, da die Ladungsträger an den Basen
der Fototransistoren vor dem Ausschalten der Transistoren 9
und 10 erst liquidiert werden müssen.
-
Die Einschaltzeit der Ausführungsform von Fig. 3 läßt
sich durch ein zusätzliches Fotodiodenfeld 60 aus in Reihe
geschalteten Fotodioden 61 gemäß Fig. 6 verbessern. Die Anode
der Fotodiode an einem Ende des Felds ist mit der Kathode
einer Diode 62 verbunden, während die Anode der Fotodiode am
anderen Ende des Felds mit der negativen Elektrode 8
verbunden
ist, wobei die Kathode der Diode 62 an die
Gate-Elektroden der Transistoren 9 und 10 angeschlossen ist. Ähnlich wie
in der Beschreibung anhand von Fig. 2 sind die Fotodioden 6
des ersten Felds derart, daß sie eine relativ hohe Spannung
bei relativ niedrigem Strom erzeugen können, während die
Fotodioden 61 des zweiten Felds derart sind, daß sie eine
relativ niedrige Spannung bei relativ hohem Strom erzeugen
können. Infolge der relativ großen Stromtragfähigkeit steigen
die durch die Fotodioden 61 erzeugten Spannungen mit höherer
Geschwindigkeit an als die durch die Fotodioden 6 erzeugten
Spannungen. Ähnlich wie in der Ausführungsform von Fig. 2
steigt die durch das zweite Fotodiodenfeld 60 entwickelte
Spannung schnell auf einen Wert an, der etwas über dem
Schwellenwert der Transistoren 9 und 10 liegt, an die
anschließend eine durch das erste Fotodiodenfeld 5 entwickelte
höhere Spannung angelegt wird. Bei dieser Ausführungsform
kann eine Einschaltzeit von 50 Mikrosekunden erreicht werden.
-
Fig. 7 ist eine Querschnittansicht einer mit einem Chip
in integrierter Schaltung realisierten Ausführungsform von
Fig. 3. Der Chip in integrierter Schaltung weist ein
Vielkristall-Siliciumsubstrat 70 auf, auf dem die einzelnen Elemente
des statischen Relais vorteilhaft in MOS-Bipolartechnik
hergestellt sind. Jedes Element ist durch ein Einkristallgebiet
71 ausgebildet, das vom Substrat durch eine
Siliciumdioxidschicht 72 isoliert ist. Obwohl in Fig. 7 nicht dargestellt,
lassen sich auch DMOSFET 9 und 10 auf dem gleichen Substrat
mit dem gleichen Verfahren herstellen. Schalttransistoren
können in beliebiger erforderlicher Anzahl auf dem gleichen
Substrat oder einem separaten Substrat aufgebracht werden.
-
Die vorangegangene Beschreibung zeigt lediglich
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Dem Fachmann dürften
verschiedene Abwandlungen deutlich sein, ohne vom
Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der nur durch die beigefügten
Ansprüche begrenzt ist. Daher dienen die gezeigten und
beschriebenen Ausführungsformen nur als Veranschaulichung,
nicht als Einschränkung.