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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Starterschaltung
einer Fluoreszenz- bzw. Leuchtstoffröhre und ihre
Realisierung in Form eines monolithischen Hauteils.
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Fig. 1 zeigt das Schaltschema einer herkömmlichen Starter-
bzw. Zündschaltung einer Leuchtstoff- bzw. Fluoreszenzröhre
(Neonröhre) mit statischem Unterbrecherschalter. Die
Leuchtstoffröhre FT weist zwei Elektroden auf, die durch ein Gas
getrennt sind, in welchem sich eine Fluoreszenz ausbilden
kann. Diese Elektroden entsprechen Widerstandswendeln r1 und
r2. Der erste Anschluß der Wendel r1 ist mit einer
Wechselstromquelle S (im allgemeinen die Netzspannung) über eine
Induktivitätsspule L und einen (nicht bezeichneten)
Netzschalter verbunden. Der erste Anschluß der Wendel r2 ist mit
dem zweiten Anschluß der Stromquelle S verbunden. Die beiden
Anschlüsse A1 und A2 der Wendeln r1 und r2 sind mit den
Wechselstromeingängen einer Dioden-Gleichrichtbrücke DB
verbunden. Die Gleichstromanschlüsse der Gleichrichtbrücke
DB sind mit einem Schalter verbunden, der in der gezeigten
Ausführungsform durch einen Thyristor Th gebildet wird. Das
Gate des Thyristors ist mit dem positiven Anschluß der
Brücke über einen Widerstand R und mit dem negativen
Anschluß der Brücke über eine integrierte Steuerschaltung IC
verbunden.
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Beim Anlegen von Spannung an die Schaltung wird der
Thyristor Th durch einen den Widerstand R durchfließenden Strom
leitend. Als Folge hiervon fließt ein Strom in den Wendeln
r1 und r2 und erhitzt diese. In einer Zündphase wird der
Thyristor Th während einer Halbwelle unter der Wirkung der
integrierten Schaltung, welche seine Gate- und
Kathodenanschlüsse kurzschließt, geöffnet (d. h. gesperrt). Die
Induktivität L sucht dann den sie im Zeitpunkt der Öffnung
durchfließenden Strom aufrechtzuerhalten. Die Spannung
zwischen den Anschlüssen A1 und A2 steigt somit rasch an, und
die Leuchtstoffröhre wird gezündet. Nach dieser Zündung bzw.
Triggerung bleibt der Thyristor Th im Öffnungszustand, und
die Leuchtstoffröhre zündet jeweils bei jeder Halbwelle von
selbst.
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Eine derartige Schaltung weist mehrere Nachteile auf.
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Ein erster Nachteil besteht in dem hohen Spannungsabfall in
der Schaltung des statischen Unterbrecherschalters, da
dieser Spannungsabfall zwei Diodenspannungsabfällen zusätzlich
dem Spannungsabfall in dem Thyristor im leitenden Zustand
entspricht.
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Ein weiterer Nachteil besteht in dem Umstand, daß für die
integrierte Steuerschaltung eine gesonderte Speisung
vorgesehen werden muß.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaffung
eines Starter-Moduls der Leuchtstoffröhre, welcher diese
Nachteile vermeidet.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung eines derartigen Moduls, der in Form eines
monolithischen Halbleiterbauteils ausführbar ist.
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Zur Erreichung dieser Ziele sieht die Erfindung vor einen
Starter-Modul einer Leuchtstoff- bzw. Fluoreszenzröhre, in
Zuordnung zu einer Ladeschaltung, welche eine
Speise-Wechselstromquelle in Reihe mit einer Ballast-Induktivität und
einer ersten und zweiten Wendel der Leuchtstoffröhre umfaßt.
Dieser Modul ist zwischen den zweiten Anschlüssen der
genannten Wendel angeschlossen und umfaßt:
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- zwischen den zweiten Anschlüssen einen ersten und einen
zweiten Hauptthyristor in Antiparallelschaltung, mit einem
Kathodengate bzw. einem Anodengate, sowie eine Schutz-Zener-
Diade in Reihe mit einer Diode,
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- eine integrierte Steuerschaltung,
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- wobei das Gate des ersten Hauptthyristors mit dem einen
der zweiten Anschlüsse und mit seiner Kathode über einen
Widerstand und mit dem anderen der zweiten Anschlüsse über
die Reihenschaltung eines Hilfsthyristors und einer Zener-
Diode verbunden ist, das Gate des Hilfsthyristors mit einem
Steueranschluß der integrierten Schaltung verbunden und mit
dem anderen der zweiten Anschlüsse über einen Widerstand
verbunden ist, die Kathode des Hilfsthyristors mit einem
Speiseanschluß der integrierten Schaltung verbunden und mit
dem genannten einen der zweiten Anschlüsse über einen
Speicherkondensator verbunden ist, und das Gate des Hauptthyristors mit
Anodengate mit einem Steueranschluß der integrierten Schaltung
verbunden ist.
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In einem Halbleiterbauteil zur Realisierung dieses Moduls
ist vorgesehen, daß der erste Hauptthyristor und der
Hilfsthyristor Vertikalthyristoren sind, deren Kathoden-Gateschicht
durch einen Graben vom P-Typ gebildet wird, der in einem
P-Graben von niedrigerem Dotierungspegel angeordnet ist, und daß der
zweite Hauptthyristor ein Vertikalthyristor mit Anodengate ist,
dessen Anode durch eine Schicht vom selben Dotierungstyp und
Dotierungspegel wie die Gategräben des ersten Thyristors und
des Hilfsthyristors gebildet wird und diese Anodenschicht von
einem Schutzring gleichen Leitfähigkeitstyps, aber geringeren
Dotierungspegels umgeben ist.
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Diese und weitere Ziele, Eigenschaften, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
nicht einschränkenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert, unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungsfiguren; in diesen zeigen:
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Fig. 1 eine herkömmliche Startschaltung einer
Fluoreszenz- bzw. Leuchtstoffröhre,
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Fig. 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Startschaltung einer Fluoreszenz- bzw. Leuchtstoffröhre,
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Figg. 3A bis 3F Kurvendiagramme zur Veranschaulichung
der Spannungs- und Stromverläufe an verschiedenen Punkten
der Schaltung aus Fig. 2, sowie
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Figg. 4A und 4B in schematischer Schnittansicht bzw.
schematischer Draufsicht ein monolithisches
Halbleiterbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung zum Starten einer
Leuchtstoff- bzw. Fluoreszenzröhre.
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Fig. 2 stellt eine Ausführungsform einer Schaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung dar. Der zweite Anschluß A1 der
Wendel r1 ist mit der Anode eines Thyristors Th1 mit
Kathodengate und mit der Kathode eines Thyristors Th4 mit Anodengate
verbunden. Der zweite Anschluß A2 der Wendel r2 ist mit der
Kathode des Thyristors Th1 und mit der Anode des Thyristors
Th4 verbunden. Das Gate des Thyristors Th1 ist mit dem Anschluß
A2 über einen Widerstand RG und mit dem Anschluß A1
über die Reihenschaltung eines Thyristors Th2 und einer
Zener-Diode Z verbunden. Das Gate des Thyristors Th2 ist mit
seiner Anode über einen Widerstand 15 verbunden und
entspricht einem Anschluß G einer integrierten Steuerschaltung
IC. Die Kathode des Thyristors Th2 ist mit einem Anschluß 2
verbunden, der einem Speiseanschluß der integrierten
Schaltung IC entspricht, sowie mit einem ersten Anschluß eines
zwischen dem Anschluß 2 und dem Anschluß A2 liegenden
Kondensators C1. Der Thyristor Th4 wird anodenseitig durch
einen positiven Strom gesteuert. Ein Anschluß 4 der
integrierten Schaltung IC steuert das Gate dieses Thyristors
Th4. Des weiteren ist zwischen den Hauptanschlüssen der
Thyristoren Th1 und Th4 eine Schutz-Zener-Diode 22 in Reihe
mit einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode D2
dargestellt.
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In einer praktischen Anwendung, bei welcher die
Speisespannung S einer Netzspannung von mittlerem Betrag 220 Volt
entspricht, könnten die folgenden Bauteile Verwendung
finden:
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- Lawinendurchbruchspannung der Diode Z: 10 Volt,
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- Widerstand RG: 100 kOhm,
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- Lawinendurchbruchspannung der Diode 22: zwischen 900
und 1500 Volt,
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- Kapazität des Kondensators C1: 3 bis 5 Mikrofarad,
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- Thyristor Th2: empfindlicher Thyristor, der durch einen
Strom kleiner als 1 mA steuerbar ist und sich bei Anlegen
einer negativen Gatespannung selbst blockieren oder selbst
sperren kann,
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- Thyristor Th1: Leistungsthyristor mit einem hohen Wert
des Sperrstrom-Schwellwerts bzw. Haltestroms (IH1) von
beispielsweise 350 mA,
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- Thyristor Th4: Thyristor mit Anodengate und im übrigen
herkömmlichen Eigenschaften.
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Die Funktions- und Arbeitsweise dieses Bauteils ergibt sich
unter Bezugnahme auf die Figg. 3A bis 3F; in diesen
entspricht die Periode vor einem Zeitpunkt t10 einer
anfänglichen Aufheizung der Wendel und die Periode nach dem
Zeitpunkt t10 einem Start der Leuchtstoff- bzw. Fluoreszenzröhre
und dem weiteren Arbeitsbetrieb dieser Röhre.
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Im Aufheiz-Mode findet anfänglich zwischen den Zeitpunkten
t1 und t2 eine Leitung des Thyristors Th2 statt, mit
nachfolgender Leitung des Thyristors Th1 bis zu einem Zeitpunkt
t2, bei dem die Spannung an den Anschlüssen die
Lawinendurchbruchspannung der Diode Z übersteigt. Wie die Kurve VC1
in Fig. 3E zeigt, lädt sich während der Zeitdauer t1 bis t2
der Kondensator C1 auf. Danach entlädt sich während der
Leitungsperiode des Thyristors Th2 der Kondensator C1 sehr
langsam, unter Speisung der integrierten Schaltung IC.
Während dieser Zeitperiode bleibt die Spannung VFT an den
Anschlüssen der Leuchtstoffröhre im wesentlichen konstant und
entspricht dem Spannungsabfall an den Anschlüssen des
Thyristors Th1, wie in Fig. 3F dargestellt.
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Wie zuvor erwähnt, besitzt der Thyristor Th1 einen hohen
Sperrstrom-Schwellwert oder Haltestrom IH1. Somit wird in
einem Zeitpunkt t3, in welchem die Speisespannung VS nicht
vernachlässigbar ist, der Thyristor Th1 gesperrt, und der
Thyristor Th2 wird wieder leitend. Zwischen diesem Zeitpunkt
t3 und dem Zeitpunkt t4 des Halbwellenendes lädt sich der
Kondensator C1 von neuem. Man erhält somit eine sehr
regelmäßige, zu Beginn und zum Ende der Halbwelle im wesentlichen
ausgeglichene Ladung des Kondensators und damit eine
regelmäßige Speisung der integrierten Schaltung IC bei niedriger
Spannung.
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Zum Zeitpunkt t5 steuert die integrierte Schaltung IC den
Thyristor Th4 in den leitenden Zustand, und dieser geht,
gegebenenfalls mit einer kurzen Verzögerung, in den
leitenden Zustand über, wie die Kurve ITh4 in Fig. 3D zeigt.
Dieser Leitungszustand endet in einem Zeitpunkt t6, in
welchem der Strom sich nahe Null befindet, da dieser Thyristor
einen niedrigen Sperrstrom-Schwellwert bzw. Haltestrom IH4
besitzt. Man erkennt, daß der Gate-Strom, der positiv ist,
dem Anodengate des Thyristors Th4 durch die integrierte
Schaltung aus dem Kondensator C1, der gerade wieder geladen
wurde, zugeführt wird.
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Zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 erhält man denselben
Verlauf wie zwischen den Zeitpunkten t1 und t2.
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Nunmehr wird der Zeitpunkt t10 erreicht, in welchem die
Wendel genügend aufgeheizt sind und in dem ein Versuch zum
Starten der Fluoreszenzröhre FT unternommen werden soll. Im
Zeitpunkt t11 der Abschaltung bzw. Sperrung des Thyristors
Th1 schließt die integrierte Schaltung IC. die Anschlüsse G
und A2 kurz; der Thyristor Th2 erhält die
Kondensatorspannung C1 in Sperrichtung an seinem Gate und geht in den
Sperrzustand über; die Ballastinduktivität L sucht den sie
durchfließenden Strom aufrechtzuerhalten; und die Spannung
zwischen den Anschlüssen A1 und A2 steigt rasch bis auf die
Lawinendurchbruchspannung der Diode 22 an (vgl. Fig. 3F).
Bei geeignetem richtigem Verlauf wird die Fluoreszenzröhre
gezündet, und die Spannung an ihren Anschlüssen ist durch
den von Induktivität erzwungenen Strom bestimmt. Diese
Induktivität
wirkt wie ein Generator von
Stromrechteck-Impulsen; die Spannung an den Anschlüssen der Röhre fällt auf ca.
100 V. Diese Spannung reicht zu einer erneuten Triggerung
der Zündschaltung nicht aus, welche in einem
Stand-by-Zustand verbleibt. Zündet die Leuchtstoffröhre nicht, so dient
die Diode 22 als Schutz, die bei Erreichen ihrer
Lawinendurchbruchspannung in den leitenden Zustand übergeht, wonach
der vorstehend beschriebene Ablauf sich bei jedem Ende einer
positiven Halbwelle wiederholt, bis zum Zünden der
Leuchtstoff- bzw. Fluoreszenzröhre.
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Man erkennt, daß zur Schaffung eines Halbleiterbauteils zur
Ausführung der Funktionen der Schaltung aus Fig. 2 die
Thyristoren Th1 und Th2 eine hohe Spannung in Durchlaßrichtung,
die höher als die Lawinendurchbruchspannung der Zener-Diode
22 ist, aushalten müssen und daß sie in Sperrichtung die
Netzspannung aushalten müssen. Ebenso muß das Bauteil Th4
mehr als die Lawinendurchbruchspannung der Diode 22 in
Sperrichtung und die Netzspannung in Durchlaßrichtung
aushalten.
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Die Figg. 4A bzw. 4B veranschaulichen in stark
schematisierter Weise eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht eines
Beispiels einer derartigen Ausführung, welche eine hohe
Spannungsfestigkeit gewährleistet. Fig. 4A ist in der auf
dem Gebiet der Darstellung von Halbleiterbauteilen üblichen
Weise stark schematisiert. Des weiteren entspricht die
Draufsicht von Fig. 4B nicht streng der Schnittansicht von
Fig. 4A. Der Fachmann vermag die Oberfläche und die
Topographie der verschiedenen Schichten und Bereiche im Sinne
einer Optimierung der Eigenschaften und Kenngrößen des
Bauteils und insbesondere des Stromführungsvermögens und der
Zener-Spannung zu adaptieren.
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Das Bauteil wird ausgehend von einem Substrat 21 vom N-Typ
hergestellt. Die Rückseite des Bauteils weist eine Schicht
23 vom P-Typ auf, die mit einer rückseitigen Metallisierung
A überzogen ist, welche der Anode der Thyristoren Th1 und
Th2 entspricht. Der Thyristor Th1 ist vertikal ausgebildet
und weist ausgehend von der Oberseite eine Kathodenschicht
24 auf, die in einem Kasten bzw. Graben 25 vom P-Typ
ausgebildet ist, der seinerseits in dem Substrat 21 ausgebildet
ist. In einem Teil des Grabens 25 ist ein Bereich 26 vom
N-Typ ausgebildet, der mit diesem Graben einen Zener-PN-
Übergang bildet, welcher der Zener-Diode Z entspricht. Ein
zweiter Graben 28 vom P-Typ weist einen Bereich 29 vom N-Typ
auf, der die Ausbildung des Thyristors Th2 in vertikaler
Form gestattet, wobei dieser Thyristor die Bereiche 29, 28,
21 und 23 umfaßt. Die Kathode 29 des Thyristors Th2 ist über
eine Metallisierung 30 mit der Kathode 26 der Diode Z
verbunden.
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Die Metallisierung 30 entspricht dem Anschluß 2 aus Fig. 2.
Der Graben 28 ist mit einer Gate-Metallisierung G überzogen.
Der Widerstand RG wird durch den Widerstand des Bereichs 25
unter der Kathodenschicht 24 gebildet.
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Im oberen Teil des Substrats ist ein Graben 51 vom P-Typ
ausgebildet. Auf der Innenseite ist unter dem Graben 51 und
wenigstens einem Teil des Gatebereichs 28 ein N-Bereich 52
ausgebildet. Die Bereiche 51, 21, 23 und 52 bilden den
Thyristor Th4. Eine den Graben 51 überdeckende Metallisierung
ist mit der den Bereich 24 bedeckenden Metallisierung
verbunden und bildet die Hauptelektrode A2.
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Benachbart dem Graben 51 ist ein P-Bereich 64 ausgebildet,
der mit einer Gate-Metallisierung 4 verbunden ist. In dem
Bereich 64 ist ein N-Bereich 65 ausgebildet, der mittels
einer Metallisierung mit der Anode 51 des Thyristors Th4
verbunden ist. Beim Anlegen einer relativ bezüglich dem
Anschluß A2 positiven Spannung an das Gate 4 fließt ein
Strom von dem Bereich 64 zu dem Bereich 65. Falls der
Anschluß A1 dann negativ relativ bezüglich dem Anschluß A2
ist, befindet sich der Thyristor Th4 dann im Durchlaßzustand
und wird getriggert.
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Selbstverständlich kann dieses Gebilde in mannigfacher Weise
verbessert und abgewandelt werden. So ist beispielsweise das
Gebilde von einem Graben 58 vom P-Typ umgeben dargestellt.
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Außerdem ist vorgesehen, daß wenigstens einige der Gräben P
auf der Oberseite in einem P--Diffusionsbereich
ausgebildet sind, um die Spannungsfestigkeit der verschiedenen
Komponenten zu verbessern. So befindet sich der Graben 25 in
einem P--Graben 61, der Graben 28 in einem P--Graben 62
und der Bereich 64 in einem P--Graben 63'. Die Anode 51
des Thyristors Th4 ist von einem P--Ring 63 umgeben.
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Dieser P--Ring ist hinreichend schwach dotiert relativ
bezüglich der Schicht 51, daß der PN-Übergang zwischen der
Schicht 51 und dem Substrat 21 bei einer niedrigeren
Spannung in den Durchbruchzustand gelangt als der PN-Übergang
zwischen den verschiedenen Schichten gleicher Dotierung 61,
62 und 63 und dem Substrat 21. Dieser PN-Übergang zwischen
der Schicht 51 und dem Substrat 21 bildet die Zener-Diode
22. Diese Zener-Diode vermag die in der Induktivität
gespeicherte beträchtliche Energie abzuführen bzw. zu
dissipieren, da der Durchbruch im Volumen stattfindet. Auch kann
man ihr Dissipationsvermögen durch Oberflächenvergrößerung
erhöhen. Als Folge hiervon erfüllt die Schicht 51
gleichzeitig die Rolle der Anode des Thyristors Th1 und die Rolle
der Anode der Zener-Diode 22 (deren Kathode das Substrat 21
ist), während die Diode D2 zwischen der P-Schicht 23 und dem
N-Substrat 21 gebildet ist.
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Die N-Bereiche 24 und 52, welche die Kathoden der Thyristoren
Th1 und Th4 darstellen, können in herkömmlicher Weise
mit Emitter-Kurzschlüssen ausgebildet sein. Diese
Kurzschlüsse dienen insbesondere zur Einstellung des Sperrstrom-
Schwellwerts oder Haltestroms IH1 des Thyristors Th1. Die
Dichte der Kurzschlußlöcher wird in dem Thyristor Th4
kleiner gewählt, um dessen Empfindlichkeit nicht übermäßig zu
verringern.
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Fig. 4B zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel in
Draufsicht auf das Bauteil aus Fig. 4A. Die Metallisierungen sind
nicht dargestellt.