DE2348254B2 - Anwendung einer Schaltungsanordnung mit im Vergleich zu pn-Dioden erhöhtem Verhältnis von Durchlaßleitwert zu Sperrleitwert in einem Fernsprech-Vermittlungssystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung eignet sich insbesondere als Ersatz für eine großflächige und damit im Durchlaßbereich besonders niederohmige Diode. Sie wurde insbesondere für die Stromeinspeisung in einen Verbindungsweg eines Fernsprech-Vermittlungssystems entwickelt.

Seit langem sind Dioden bekannt, welche aus einer p-Schicht und einer /j-Schicht bestehen. Solche Dioden können in verschiedener Weise betrieben werden, nämlich als Stromventile oder z. B. auch als Zenerdioden. Im folgenden wird die als Stromventil verwendete Diode betrachtet, d.h. also als eine Diode, die für Gleichströme einer ersten Polarität undurchlässig ist, aber bei geringem Spannungsabfall für Gleichströme der entgegengesetzten, zweiten Polarität durchlässig ist.

Es ist ebenfalls seit langem bekannt, solche Stomven- wi tile besonders großflächig auszubilden, damit sie im Durchlaßbereich besonders niederohmig sind, wodurch insbesondere die Verluste eines solchen Stromventils im Durchlaßbereich entsprechend gering sind.

Ein Nachteil dieser großflächigen Stromventile ist jedoch einerseits der große Flächenbedarf für ihre Sperrschicht, was ihre Verwendung in einem monolithischen Baustein nahezu unmöglich macht. Darüber hinaus ist die Sperrkapazität großflächiger Stromventile unangenehm groß, so daß der Wechselstromwiderstand solcher Stromventile in ihrem Sperrbereich oft störend gering ist Mit der Fläche wächst unangenehmerweise auch der ohmsche Leitwert im Sperrbereich, d. h. je kleiner der Widerstand im Durchlaßbereich ist, umso kleiner ist der Widerstand im Sperrbereich.

In »SCR Manuel General Electric«, 5. Aufl. 1972, Seiten 7,91 und 92, insbesondere Fig. 4.20 und Fig. 4.21 a sind Schaltungsanordnungen mit der Eigenschaft eines im Durchlaßbereich besonders niederohmigen Stromventils angegeben, das für Gleichströme der ersten Polarität undurchlässig ist, aber für Gleichströme der entgegengesetzten, zweiten Polarität verlustarm durchlässig ist Dabei überbrückt eine Diode die Strecke zwischen einer Hauptelektrode eines Thyristors und jener Basis dieses Thyristors, die der anderen Hauptelektrode des Thyristors benachbart ist wobei der Leitungstyp jener Schicht der Diode, die mit der Hauptelektrode des Thyristors verbunden ist, gleich ist dem Leitungstyp dieser Hauptelektrode. Hier handelt es sich um Schaltungsanordnungen zur Gleichrichtung von Wechselströmen, so daß der Wechselstromantei! der einen Polarität jeweils durchgelassen wird, hingegen der Wechselstromanteil der anderen Polarität gesperrt wird. Eine Übertragung eines solchen dem Gleichstrom überlagerten Wechselstromes, der über dieses Stromventil zu übertragenden Informationen entspricht, ist hier nicht vorgesehen. Stattdessen handelt es sich hier nur um ein Stromventil, das Gleichstrom aus Wechselströmen erzeugt

In der US-PS 35 17 280 ist ein in integrierter Technik hergestellter, auf einem monolithischen Block untergebrachter Thyristor gezeigt welcher jedoch nicht mit einer Diode in der Weise überbrückt ist, wie es in der Druckschrift »SCR-Manual General Electric« angegeben ist

Bei der Erfindung sollen die einem Gleichstrom überlagerten Wechselströme eines Fernsprech-Vermittlungssystems möglichst niederohmig über ein einer Zweischichtdiode entsprechendes S'romventil geleitet werden können, wobei jedoch das Verhältnis von Durchlaßleitwert zu Sperrleitweri der Schaltungsanordnung besser sein soll als bei einer gewöhnlichen Zweischichtdiode, so daß über die Schaltungsanordnung fließende Informationsströme im sperrenden Zustand der Schaltungsanordnung besonders geringe Verluste aufweisen und über die Schaltungsanordnung liegende Informationsspannungen im sperrenden Zustand möglichst kleine entsprechende Ströme durch die Schaltungsanordnung auslösen.

Die Erfindung geht von der unten näher erläuterten Erkenntnis aus, daß die Diode in der in »SCR Manual...« angegebenen, aus einer — nach dem »SCR Manual...« zum Triggern dienenden — Diode und einem Thyristor aufgebauten Schaltungsanordnung ein kleineres Verhältnis von Durchlaßleitwert zu Sperrleitwert aufweist als die Schaltungsanordnung selbst Diese Schaltungsanordnung hat also ein ungewöhnlich großes Verhältnis zwischen Durchlaßleitwert zu Sperrleitwert so daß dieses Verhältnis nicht durch eine einzelne pn-Diode verwirklicht werden kann. Bei der Erfindung dient also diese Diode nicht nur zum Triggern der Schaltungsanordnung, sondern als Teil eines Stromventils, über das, falls es durch Gleichstrom in den leitenden Zustand gesteuert ist, Informationen entsprechende Wechselströme, also z. B. Sprechströme, niederohmig geleitet werden können. Stromventile dieser Art sind für

sich ζ. B. durch die Druckschriften Proc, IEE (Nov, I960) Part B Suppl. 20, S. 297, Fig. 12 und DE-OS 20 64 117 bekannt. Dies ist vor allem bei in integrierter Technik hergestellten Stromventilen der Fernsprech-Vermittlungstechnik wichtig, da dort nicht der Platz zur Verfügung steht, eine einzelne extrem großflächige Diode anzubringen, wenn man an sich ein im Durchlaßzustand besonders niederohmiges Stromventil braucht.

Die Erfindung betrifft also die Anwendung einer iu Schaltungsanordnung mit im Vergleich zu pn-Dioden erhöhtem Verhältnis von Durchlaßleitwert zu Sperrleitwert, bei der eine Diode die Strecke zwischen einer Hauptelektrode eines Thyristors und jener Basis dieses Thyristors überbrückt, die der anderen Hauptelektrode des Thyristors benachbart ist, wobei der Leitungstyp jener Schicht der Diode, die mit der Hauptelektrode des Thyristors verbunden ist, gleich ist dem Leitungstyp dieser Hauptelektrode. Diese Anwendung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung in Form eines in einem monolithischen Baustein integrierten Zweipols in einem Femsprech-Vermittlungssystem als Stromvcnlii für einen Gleichstrom angewendet ist, dem zumindest zeitweise ein über das Strtnnventil zu übertragenden Informationen entsprechende- Wechselstrom überlagert ist

Die Erfindung bzw. ihre Weiterbildungen werden anhand der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert, wobei F i g. 1 das Prinzip des Ersatzes einer großflächigen Diode durch eine Schaltungsanordnung der nach der Erfindung angewendeten Art erläutert, sowie Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung in integrierter Technik und F i g. 3 die Anwendung der Schaltungsanordnung, die in den Verbindungsweg eines Fernsprech-Vermittlungssy- J5 stems eingefügt ist, zeigen.

Die in F i g. 1 gezeigte, bekannte großflächige Diode De hat in ihrem Durchlaßbereich einen besonders geringen Eigenwiderstand. Sie entspricht der in F i g. 1 weiter gezeigten Schaltungsanordnung T/D. Die Anschlußklemmen Ai, Ki der bekannten großflächigen Diode entsprechen daher den Anschlußklemmen A 2, K 2 der Schaltungsanordnung. Bei letzterer ist erfindungsgemäß die />Schicht der kleinflächigen Diode D mit der η-Basis des pnpn-Thyristors Tuber die Leitung -n L 2 verbunden. Ferner ist die η-Schicht der Diode D mit der η-Kathode des Thyristors T über die Leitung L 1 verbunden.

Wenn die erfindungsgemäß angewendete Schaltungsanordnung von ihrem undurchlässigen in ihren durchlas- >n sigen Zustand gesteuert wird, dann wird an die Anschlußklemme A 2 ein gegenüber der Anschlußklemme K 2 positives Potential angelegt. Hierdurch fließt ein Strom der zweiten Polarität über die p-Anode des Thyristors Tund der dazu benachbarten n-Basis dieses Thyristors, über die Leitung L 2, über die Diode D und über die Leitung L i zur Anschlußklemme K 2. Dieser Strom steuert sowohl die Diode D als auch den pn-Übergang zwischen der p-Anode und der benachbarten /7-Basis des Thyristors Tin den durchlässigen <■<■ Zustand. Durch diesen über die Diode D fließenden Strom wird nun der Thyristor Tin seinen durchlässigen Zustand gesteuert, so daß dann die Strecke zwischen der Kathode und der n-Basis dieses Thyristors Tdie Diode D niederohmig überbrückt. Da der Eigenwiderstand des Thyristors T im Durchlaßbereich dieses Thyristors erheblich kleiner ?'s der Eigenwiderstand der in den Durchlaßbereich gesteuerten Diode D ist — selbst wenn die Diode Detwa eine gleich große pn-Übergangsfläche wie die entsprechenden pn-Übergangsflächen des Thyristors T aufweist —, ist der Eigenwiderstand der Schaltungsanordnung bei Belastung mit Strömer, der zweiten Polarität erheblich kleiner als der Eigenwiderstand der Diode De, wenn deren pn-Übergangsfläche etwa gleich groß wie die für die gesamte Schaltungsanordnung T/D benötigte Fläche wäre. Falls also die erfindungsgemäß angewendete Schaltungsanordnung in ihrem niederohmigen Zustand den gleichen Widerstand wie die gewöhnliche Diode De hat, dann muß diese Diode De eine sehr viel größere pn-Fläche als die Schaltungsanordnung aufweisen. Die erfindungsgemäß angewendete Schaltungsanordnung ist daher im Durchlaßbereich besonders niederohmig im Vergleich zu einer großen, gewöhnlichen Diode D, wenn sie mit Gleichströmen der zweiten Polarität belastet werden.

Bei Belastung der erfindungsgemäß angewendeten Schaltungsanordnung mit Strömen der ersten Polarität wird sowohl der Thyristor T als auch die Diode D in ihren undurchlässigen Zustand gesteuert, weswegen die Schaltungsanordnung die Eigenschaft eines Stromventils aufweist, das im DurchlaßbereHi für Gleichströme der zweiten Polarität besonders niederohmig, das aber für Gleichströme der ersten Polarität undurchlässig ist. Darüber hinaus ist der Flächenbedarf der Schaltungsanordnung sehr viel geringer als der Flächenbedarf für die Diode De wäre, wenn die Diode De im Durchlaßbereich im gleichen Maße niederohmig und daher entsprechend großflächig sein würde. Ferner weist die Schaltungsanordnung wegen ihres geringen Flächenbedarfes — insbesondere des Flächenbedarfs für ihre pn-Übergänge — vorteilhafterweise auch einen sehr hohen ohmschen Sperrwiderstand sowie eine sehr geringe Sperrkapazität im Vergleich zur großflächigen, in ihrem durchlässigen Zustand den gleichen Widerstand aufweisenden Diode De auf, weswegen die Schaltungsanordnung trotz ihrer Niederohmigkeit im Durchlaßbereich auch vergleichsweise einen hohen Wechselstromeigenwiderstand und einen hohen ohmschen Sperrwiderstand im sperrenden Zustand aufweist.

Bei einem Ausführungsbeispie! zeigte sich, daß der Eigenwiderstand des Thyristors T im Durchlaßbereich ca. 1 Ohm, hingegen der Eigenwiderstand der Diode D im Durchlaßbereich ca. 100 Ohm beträgt, wenn beide etwa die gleiche Fläche ihrer pn-Übergänge aufweisen, so daß der Eigenwiderstand der erfindu/igsgemäß angewendeten Schaltungsanordnung im Durchlaßbereich ca. 1 Ohm beträgt. Die bekannte Diode De müßte also bei diesem Beispiel eine ca. einhundertfach größere Fläche aufweisen als die Fläche der Diode D in der Schaltungsanordnung T/D. Der Sperrwiderstand wird hier besonders durch den pn-Übergang zwischen der p-Anode und der n-Basis bestimmt. Grundsätzlich kann jedoch auch die p-Schicht einer kleinflächigen Diode mit der p-Anode des Thyristors und die η-Schicht der Diode mit der p-Pasis des Thyristors verbünden werden. Dann wird die Diode D in ihrem durchlässigen Zustand niederohmig von der Strecke zwischen der p-Anode und p-Basis des Thyristors überbrückt.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anwendung ist bei den Anschlußklemmen A 2, K 2 jeweils eine Stromquelle Q gleicher Polarität angebracht, vergleiche Fig.3. Diese Weiterbildung eignet sich besonders zur Verwendung in einem Verbindungsweg eines Fernsprech-Vermittlungssystems, indem man dort die Schaltungsanordnung mit den beiden Stromquellen in Längsrichtung in den Verbindungsweg

einfügt. Die beiden Stromquellen Q dienen dann in an sich bekannter Weise zur Einspeisung des Gleichstroms in den Verbindungsweg, vergleiche Proc. IEE 107 (Nov. I960) Part Π Suppl. 20, Seite 297, Figur 12 »Supervisory Link« und die DE-OS 20 64 117. Die erfindungsgemäße Weiterbildung bewirkt wegen des besonders geringen Eigenwiderstandes der Diodensrlialtung T/D in deren Durchlaßbereich besonders geringe Verluste des eingespeisten Gleichstromes und des zumindest zeitweise darüber fließenden Sprechwcchselstromes. Dieser geringe Längs-Eigenwiderstand der Weiterbildung kommt insbesondere dann gut zur Geltung, wenn gleichzeitig der Wechselstromwiderstand der beiden Stromquellen Q möglk'st groß ist, damit auch in Querrichtung die durch diese Weiterbildung verursachten Verluste an Wechselstromenergie gering sind. Hierzu kann man die beiden Stromquellen Q z. B. als leitende, in ihren Sättigungsbereich gesteuerte Transistoren ausbilden, vergleiche wieder die DE-OS 20 M 117.

In Fig. 2 ist eine in integrierter Technik hergestellte Schaltungsanordnung gezeigt, welche in einem monolithischen Baustein B, dessen geerdete oder an die Gleichspannung E gelegte Trägerplatte p-dotiert ist, untergebracht ist. Die Diode D und der Thyristor 7~sind über die Leitungen L 1, L 2 miteinander in der in F i g. I angegebenen Weise verbunden. Die Leitungen L 1, L 2 und auch die Anschlüsse K 2, A 2 sind jeweils nur schematisch angedeutet, um die Übersichtlichkeit der F i g. 2 zu verbessern. Durch die Herstellung der Schaltungsanordnung in integrierter Technik wirkt sich insbesondere der geringe Platzbedarf vorteilhaft aus.

Oft ist es vorteilhaft, wenn die Schaltungsanordnung besonders rasch von ihrem einen Zustand in ihren anderen Zustand umschaltbar ist. Dies kann insbesondere dadurch leicht erreicht werden, daß hierzu ein geeignetes Dotiermaterial, z. B. Goldatome, in sämtliche p- und n-Schichten des Thyristors T und der Diode D eir.diffundiert, wodurch die Umschaltgeschwindigkeit dieser Bauelemente und damit die Umschaltgeschwindigkeit der Schaltungsanordnung erhöht wird. Dadurch wird insbesondere erreicht, daß der besonders niederohmige Zustand der Schaltungsanordnung bereits sehr rasch nach Beginn der Belastung mit einem Gleichstrom der zweiten Polarität auftritt und daß der hochohmige Zustand dieser Schaltungsanordnung sehr rasch nach Beginn der Belastung mit einem Strom der ersten Polarität auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   \, Anwendung einer Schaltungsanordnung mit im Vergleich zu pn-Dioden erhöhtem Verhältnis von Durchlaßleitwert zu Sperrleitwert, bei der eine -. Diode die Strecke zwischen einer Hauptelektrode eines Thyristors und jener Basis dieses Thyristors Oberbrückt, die der anderen Hauptelektrode des Thyristors benachbart ist, wobei der Leitungstyp jener Schicht der Diode, die mit der Hauptelektrode ι ο des Thyristors verbunden ist, gleich ist dem Leitungstyp dieser Hauptelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung in Form eines in einem monolithischen Baustein (B) integrierten Zweipols in einem Fernsprech-Vermittlungssystem als Stromventil für einen solchen Gleichstrom angewendet wird, dem zumindest zeitweise ein über das Stromventil zu übertragenden Informationen entsprechender Wechselstrom überlagert ist

   Z Anwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch j, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußklemmen (K 2, A 2) der Schaltungsanordnung jeweils mit einer Stromquelle gleicher Polarität (Q) verbunden sind.

   3. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromquellen (Q) jeweils einen hohen Wechselstromwiderstand aufweisen.

   4. Nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 angewendete Schaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Schicht einer kleinflächigen Diode (D) m'l der n-Basis eines pnpn-Thyristors (T) und daß die η-Schicht der Diode (D) mit der η-Kathode dieses an seiner η-Basis gesteuerten Thyristors ^verbunden Ut

   5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (D) und/oder der Thyristor (T) mit einem die Umschaltgeschwindigkeit vergrößernden Dotiermaterial, wie z. B. Gold, dotiert ist.