-
-
Festkört>er-Relais
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Relais nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Festkörper-Relais, in der Literatur auch als Halbleiterrelais bezeichnet,
weisen eine galvanische Trennung zwischen Steuer- und Lastkreis auf, haben jedoch
keine galvanische Trennung im Lastkreis, da die Last nieht mit Kontakten sondern
durch gesteuerte Halbleiter gesteuert wird.
-
Solche Festkörper-Relais sind aus den DE-OSen 22 53 423 und 27 38
186 bekannt. Die dort beschriebenen Festkörper-Relais sind jedoch nur mit großem
Aufwand herstellbar. Die Spannungsanstiegsfestigkeit liegt unter 500 V/s und die
Relais sind nicht zuverlässig gegen kurzzeitiges Durchschalten beim Einschalten
der Netzspannung gesichert. Sie sind daher nicht geeignet zum Ansteuern von Schützen.
Außerdem sind die Relais aufgrund einer geringen Sperr£§higkeit nur für Netzspannungen
bis zu 380 V geeignet.
-
Monolithische Ausführungen von Festkdrper-Relais oder von Teilen einer
Festkörper-Relaisschaltung sind aus den DE OSen 30 00 890, 29 22 005 und EP-OS OO
17 980 bekannt. Diese Ausführungen sind jedoch nur für gering Schaltleistungen und
Netzspannungen konzipiert.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Festkörper-Relais anzugeben,
die einen mechanisch und konstruktiv einfachen Aufbau haben, hohe du/dt-Festigkeit
aufweisen und für Netzspannungen bis 500 V und Schaltströmen von mehreren Ampere
geeignet sind.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Festkdrner-Relals gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
-
Die erflndungsgemEßé Lösung hat den Vorteil, daß im Lastkreis angeordnete
licrt-zündbare Leistungsbauelemente relativ hoher Leistung ohne Zwischenschaltung
eines Steuerkreises direkt angesteuert werden durch für die optische Kopplung von
Steuer- und Lastkreis vorgesehene, lichtemittierende Dioden. Eine Nullpunktschaltung
vermeidet Störungen durch große Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten beim Einschalten.
-
Vorteilhaft ist weiterhin ein in den Unteransprüchen angegebener Aufbau
des FestkörDer-Relais als hybride Dickfilmschaltung.
-
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird
nachstehend beschrieben.
-
Es zeigen: Fig. 1 Schaltung eines Festköper-Relais, Fig. 2 Draufsicht
auf einen lichtzündbaren Thvristor
des Festkörper-Relais, Fig. 3
Schnitt durch einen lichtzündbaren Thyristor, Fig. II erste Variante einer Kopplung
einer lichtemittierenden Diode mit einem lichtzUndbaren Thyristor, Fig. 5 zweite
Variante einer Kopplung von Diode und Thyristor, Fig. 6 Anwendung eines Festkörper-Relais
als Ansteuerung für einen Steller größerer Leistung.
-
Fig. 1 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemä.ßen Festkörper-Relais.
Sie enthält einen Lastkreis und einen optisch damit gekoppelten Steuerkreis. Der
Steuerkreis besteht aus einer Reihenschaltung zweier in Durehlaßrichtung gepolter
lichtemittierender Dioden (LED) 2 und einer dazu parallelteschalteten und in Soerrichtung
gepolten Schutzdiode 9. Der Eingang E des Steuerkreises ist mit den Anschlüssen
der Schutzdiode 3 verbunden.
-
Im Lastkreis ist eine Antiparallelschaltung von zwei lichtzündbaren
Thyristoren 1 angeordnet und mit dem Aus gang A verbunden. Der Gate-Anschluß der
Thyristoren 1 ist jeweils Über einen Signaltransistor 4 mit der Kathode der Thyristoren
1 verbunden, wobei jeweils eine Verbindung zwischen dem Gate des Thyristors 1 und
dem Kolm lektor des Transistors 4 sowie zwischen der Kathode des Thyristors 1 und
dem Emitter des dea Transistors 4 besteht Parallel zum Ausgang A ist eine Reihenschaltung
von einem ersten Spannungsteilerwiderstand 5, einem Basiswiderstand 6 und einem
zweiten Spannungsteilerwiderstand 5 vorgesehen. Die Basis der Transistoren 4 ist
jeweils an die Verbindungsleitung zwischen dem Basiswiderstand 6 und einem Spannungsteilerwiderstand
5 angeschlossen, so daß zwischen Basis und Emitter des Transistors 4 jeweils
ein
Spannungsteilerwiderstand 5 geschaltet ist.
-
Die lichtemittierenden Dioden 2 sind jeweils Über einer lichtempfindlichen
Stelle der Thyristoren 1 angeordnet.
-
Wenn im Steuerkreis ein Steuerstrom fließt, emittieren die Dioden
2 Licht. Die Zündung der Thyristoren 1 erfolgt jedoch nur, wenn die Spannung am
Ausgang A einen bestimmten Wert (z.B. 3V) unterschreitet. Der Spannungswert läßt
sich durch die Widerstände 5 und 6 einstellen.
-
Solange dieser Spannungswert überschritten ist, führen die Signaltransistoren
4 einen Kurzschluß zwischen Gate und Kathode der Thyristoren 1 herbei. Mit dieser
sogenannten Nullpunktschaltung wird erreieht, daß die ZÜndung der Thyristoren bei
Spannungsnulldurchgang erfolgt, wodurch hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten vermieden
werden.
-
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kathodenseite einer bevorzugten
Ausführungsvariante des lichtzündbaren Thyristors 1. Dabei ist eine U-förmiqe Kathodenelektrode
10 innerhalb einer rahmenförmigen Gate-Elektrode 11 dargestellt. Die Gate-Elektrode
11 ragt mit einem Ansatz 12 in den freien Raum zwischen den U-Schenkeln der Kathode
10. Am Ende des Ansatzes 12 ist ein lichtempfindlicher Gate-Bereich 13 angeordnet.
Dieser lichtempfindliche Gate-Bereich 13 kann auch zur Verbesserung der Zündempfindlichkeit
etwas vertieft in den Siliziumkristall des Thyristors 1 geätzt sein. Außerhalb des
Rahmens der Gate-Elektrode 11 schließt sich ein Passivierungsgraben 14 und ein Trenndiffusionsbereich
15 als rahmenförmige äußere Begrenzung an.
-
Die dargestellte Anordnung der beiden pn-tXbergänge nur auf einer
Seite des Thyristors 1, nämlich der Kathodenseite, wird durch eine sogenannte Trenndiffusion
an der
Peripherie erreicht und erleichtert die Lötmontage der lichtzündbaren
Thyristorplättchen 1 auf einem metalllsierten Keramiksubstrat.
-
In Fig. 3 ist ein. Schnitt durch die in Fig. 2 eingetragene Ebene
A-A des Thyristors 1 dargestellt. Daraus sind ebenfalls auf der Kathodenseite die
Kathoden-Elektrode 10, die Gate-Elektrode 11, der lichtempfindliche Gate-Bereich
13 und der glasbedeckte Passivierungsgraben 14 zu erkennen, sowie der Trenndiffusionsbereich
15 und auf der Unterseite des Thyristors 1 eine Anoden-Elektrode 16.
-
Die in Fig. 1 in der Schaltung dargestellten Bauelemente lassen sich
in einer bekannten Dickfilm-Hybrid-Technik auf einem metallisierten Keramiksubstrat
zusammenfassen.
-
Dazu werden die Thyristoren 1 (in der Form von gehäuselosen Thyristorplättchen
wie in Fig. 3 dargestellt) zusammen mit den Signaltransistoren 4 auf ein bereits
mit einer Metallisierung und aufgedruckten Widerständen 5 und 6 vorgesehenes Dickfilmsubstrat,
z.B. durch Reflow-Löten aufgelötet. Anschließend werden zwischen Kathoden- und Gate-Elektroden
10, 11 der Thyristoren 1 und den entsprechenden Anschlußpunkten auf dem Keramiksubstrat
elektrische Verbindungen, z.B. durch Ultraschall-Bonden von Aluminiumdraht hergestellt.
Andere Verfahren, wie Lötverbindungen oder Thermokompressionsbonden sind ebenfalls
je nach Kontaktmetallisierung anwendbar. Für die Montage der lichtemittierenden
Dioden 2 bzw. deren optische Kopplung mit den Thyristoren 1 werden in den Fig. 4
und 5 zwei Alternativen dargestellt.
-
Fig. 4 zeigt eine Anordnung eines Thyristors 1 auf einem Keramiksubstrat
22, wobei eine lichtemittierende Diode 2 mit ihrer Lichtaustrittseite nach unten
Über den lichtempfindlichen Gate-Bereich 13 des Thyristors 1 montiert
ist.
Da der lichtempfindliche Gate-Bereich 13 einen Durchmesser von etwa 1mm hat, sind
die Anforderungen an die Justiergenauigkeit nicht sehr hoch, so daR die Montage
von Hand erfolgen kann. Es empfiehlt sich vor der Montage auf den lichtempfindlichen
Gate-Bereich 13 einen Tropfen einer gut haftenden Silikonmasse 17 mit thixotropen
Eigenschaften aufzubringen. Die Silikonmasse 17 muR für das von der Diode 2 emittierte
Infrarotlicht 18 durchlässig sein. Die Anschlußdrähte 19 (dargestellt ist einer
der Drähte) der Diode 2 sind mit Hilfe von Lot 20 mit den entsprechenden metallisierten
Flächen 21 des Keramiksubstrats 22 verbunden.
-
Fig. 5 zeigt eine andere Möglichkeit der Kopplung der Diode 2 mit
dem Thyristor 1. Dabei ist wie bei Fig. 4 ein Thyristor 1 auf Keramiksubstrat 22
gelötet. Die Diode 2 ist mit ihrer Lichtaustrittsöffnung nach oben ebenfalls auf
das Keramiksubstrat 22 gelötet. Die Verbindung zwischen der Lichtaustrittsöffnung
der Diode 2 und dem lichtempfindlichen Gate-Bereich 13 des Thyristors 1 ist durch
einen Lichtleiter 23 hergestellt, der mit einer Silikonmasse 17 fixiert ist.
-
Die Kapselung eines solchen in Dickfilm-Hvbridtechnik realisierten
Festkörper-Relais kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zum Belspiel kann die Kapselung
als Berührungsschutz durch Tauchen in einer lichtundurchlässigen Kunststoffmasse
erfolgen (Wirbelsintern). Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein als hybride
Dickfilmschaltung hergestelltes Festkörper-Relais in ein Gehäuse so einzusetzen,
daß die Keramikseite die äußere Bodenfläche des Gehäuses bildet. Das Gehäuse wird
mit einer geeigneten Kunststoffmasse gefüllt. Das so entstandene quaderförmige Festkörper-Relais
kann mittels einer Stahispange mit der Keramikseite nach unten auf einen Kühlkörper
montiert werden, so daR eine gute
Verlustwärmeabfuhr gegeben ist.
-
Das Festkörper-Relais in Dickfilmtechnik kann auch als Ansteuerung
für Leistungsbauelemente größerer Leistung verwendet werden, wie in Siemens Components
19 (1981), Heft 2, Seite 52 bis 56 beschrieben. Fig. 6 zeigt eine mögliche Lösung
für eine solche Anwendung. Dabei sind In einem Gehäuse 24 unten die Leistungsbauelemente
25 eines Stellers größerer Leistung eingesetzt und darÜber ist eine hybride Dickfilmschaltung
26 als Ansteuerung angeordnet. Dabei sind alle für die Stellerschaltung außer den
Leistungsbauelementen 25 benötigten Bauelemente zusammen mit den Elementen des Festkörper-Relais
auf einem gemeinsamen Substrat der hybriden Dickfilmschaltung 26 untergebracht.