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Halbleiter-Gleichrichteranordnung mit tablettenförmigen
Gleichrichter elementen
Es sind Selen-Kleingleichrichter bekannt, bei denen das aus Selentabletten und Anschlussorganen be- stehende System in ein Isolierstoffgehäuse eingesetzt und in diesem mit einer isolierenden Masse, z. B. einem geeigneten Giessharz, vergossen ist. Die elektrische Belastbarkeit dieser Anordnungen ist dadurch begrenzt, dass Isolierstoffe allgemein eine verhältnismässig schlechte Wärmeleitfähigkeit haben und da- her die von den Gleichrichterelementen entwickelte Verlustwärme weniger gut abfliessen kann als bei metallischen Gehäusen. Anderseits sind Isolierstoffgehäuse für viele Zwecke vorteilhafter als Metallge- häuse, z. B. für eine Verwendung der Gleichrichter in gedrängt aufgebauten, insbesondere gedruckten Schal- tungen.
Der hohe innere Wärmewiderstand vergossener Anordnungen mit Isolierstoffgehäuse, der sich aus den
Wärmewiderständen der Vergussmasse und des Gehäuses selbst zusammensetzt, wird ferner zum Teil dadurch wettgemacht, dass die Wärmeabgabe von Isolierstoff-Oberflächen durch Strahlung besser ist als bei blanken
Metalloberflächen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Gleichrichteranordnung, bei der ein oder mehrere tablettenförmige Gleichrichterelemente, gegebenenfalls in Stapeln, in einem Isolierstoffgehäuse angeordnet und in diesem mit einer isolierenden Masse vergossen sind. Sie besteht darin, dass die Elemente von einer metallischen Klammer umfasst sind, die mit einer Fläche, die wesentlich grösser ist als die zwischen ihr und den Elementen bestehenden Wärmeübergangsfläche, an der Innenfläche einer entsprechend bemessenen Gehäusewand anliegt. Die Erfindung ermöglicht es, die Wärmeableitung der eingeschlossenen Gleichrichterelemente zu verbessern und damit die Belastbarkeit der Anordnung erheblich zu erhöhen.
Sie beruht auf folgenden Überlegungen :
An sich ist die Wärmeabgabe der Gehäuseoberfläche an die Umgebung bei gegebener Temperaturdifferenz proportional der Gehäuseoberfläche. Eine Vergrösserung der Gehäuseoberfläche unter Beibehaltung der Grösse des eingeschlossenen Gleichrichtersystems würde allein jedoch keinen Vorteil bringen, da dann auch der innere Wärmewiderstand, entsprechend der Verlängerung der Abflusswege durch die Vergussmasse, ebenfalls vergrössert würde. Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass gleichzeitig der Wärmewiderstand der Vergussmasse zwischen den Gleichrichterelementen und der Gehäusewand durch einen parallelgeschalteten metallischen Wärmeableitweg überbrückt wird.
Die Gleichrichteranordnung nach der Erfindung kann so ausgeführt sein, dass ein oder mehrere Gleichrichterstapel an der die Wärme weiterleitenden Klammerfläche mit zu dieser senkrechter Stapelrichtung anliegen, wobei die genannte Klammerfläche wesentlich grösser ist als die Summe der anliegenden Stapelflächen. Man kann aber auch einen Tablettenstapel in eine die Tablettenkanten umfassende Klammer legen, deren Flächen sich in Stapelrichtung wesentlich über die Enden des Stapels hinaus erstrecken.
Die an der Innenwand des Isoliergehäuses anliegende Klammerfläche soll wenigstens zweimal so gross sein wie die Wärmeübergangsflächen zwischen ihr und den Gleichrichterelementen. Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1-3,4 bzw. 5-7 dargestellt.
Die Fig. 1-3 beziehen sich auf eine Gleichrichteranordnung in Brückenschaltung, bei der jeder Zweig eineSelengleichrichter-Tablette enthält. Die Tabletten sind in Fig. l mit 1 bezeichnet. Sie sind in einem Stapel angeordnet, der an seinen Enden und zwischen den Tabletten 1 je ein Anschlussblech 2 enthält, das das gleiche Format besitzt wie die Tabletten 1. Von jedem Kontaktblech 2 läuft eine streifenförmige Anschlussfahne 2a aus.
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Der Stapel aus den Bauelementen 1 und 2 ist zusammen mit einer'Kontaktdruck- Blattfeder 3 von einer metallischen Klammer 4 umschlossen, die aus einem ursprünglich ebenen Blech durch vier rechtwinklige Biegungen geformt ist. Die Kanten des Stapels sind durch eingelegte Isolierfolien 5 gegen die Klammer 4 isoliert. Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist die Klammer 4 in einer Richtung wesentlich länger als die entsprechende Ausdehung der Tabletten 1.
Die bisher beschriebene, fertig verklammerte Anordnung stellt eine mechanisch stabile Einheit dar, die als Ganzes gehandhabt und geprüft werden kann. Sie wird nunmehr noch in einen vorgefertigten Kunstharzbecher 6 eingesetzt, der in den Figuren gestrichelt dargestellt ist, und in diesem mit einer Vergussmasse 7 vergossen. Als Vergussmasse ist z. B. ein Epoxyd-Giessharz geeignet.
Die Innenmass des Bechers 6 sind so gewählt, dass die Klammer 4 dicht an seinen Wänden anliegt.
Die Verlustwärme der Gleichrichterelemente 1 wird bei der dargestellten Anordnung durch metallische Leitung an die Klammer 4 abgeführt. u. zw. hauptsächlich. über die Unterseite des Stapels in Fig. l, zum Teil jedoch auch über den oberen Querschnitt des Stapels und die Kontaktfeder 3. Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist die Fläche der Klammer 4, die mit der Wand des Bechers 6 in Kontakt steht, mehrfach grösser als die Summe der Flächen, mit denen der Gleichrichterstapel seinerseits mit der Klam- mer 4 in Wärmekontakt steht. Die Klammer 4 hat somit die Wirkung, dass sie die Verlustwärme durch metallische Leitung, also mit geringem Wärmewiderstand, auf eine relativ grosse Wandfläche des Bechers
6 überträgt, von der sie dann durch Strahlung und Konvektion an die Umgebung abgegeben wird.
Bei einem Gleichrichter der dargestellten Art genügt es bei einer Tablettengrösse von etwa 10 x 10 mm, wenn für die Klammer 4 z. B. Aluminiumblech oder Weissblech von 0, 5 mm Dicke verwendet wird. Durch ein derartiges Blech werden die parallel liegenden, hohen Wärmewiderstände der Isolierteile, d. h. der Ver- gussmasse und der Wand des Bechers 6 parallel zur Oberfläche, praktisch kurzgeschlossen.
Bei Anordnungen mit einer höheren Tablettenzahl kann es vorteilhaft sein, die Tabletten in mehreren
Stapeln anzuordnen. Eine Draufsicht auf eine derartige Anordnung, ebenfalls in Brückenschaltung, zeigt die Fig. 4. Hier sind die Tabletten mit 10 bezeichnet. Der Plus-Anschluss der Schaltung wird durch das Blech 11 mit der Anschlussfahne lla gebildet, der Minus-Anschluss durch das Blech 12 mit der Anschlussfahne 12a. Die Wechsel-Anschlüsse und die entsprechenden Anschlussfahnen sind mit 13 bzw. 13a und 14 bzw. 14a bezeichnet.
Ähnlich wie bei der Anordnung nach den Fig. 1-3 sind die Tabletten und Anschlussbleche von einer metallischen Klammer 15 umschlossen, wobei mit den Stapeln eine Blattfeder 16 in Reihe liegt. Drei Seiten der Stapel sind durch eine Isolierfolie 17 gegen die Klammer 15 isoliert. Im übrigen ist die An- ordnung nach Fig. 4 in gleicher Weise ausgebildet wie die Anordnung nach den Fig. 1-3 ; insbesondere ist auch hier die Klammer 15 in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 4 wesentlich länger bemessen als die entsprechende Ausdehnung der eingeschlossenen Stapel. Die fertig verklammerte Anordnung ist in einen Kunststoffbecher 18 eingeschlossen und in diesem vergossen.
Die Fig. 5-7 zeigen eine Anordnung, bei der die vier Zweige einer Brückenschaltung in einem Stapel angeordnet sind, der von einer U-förmigen Metallklammer 20 derart umschlossen ist, dass die Verlustwärme der Gleichrichter-Tabletten über ihre Kanten an die Klammer 20 abfliesst.
Die Gleichrichter-Tabletten sind mit 21 bezeichnet ; an den Enden des Stapels und zwischen den einzelnen Zweigen der Brückenschaltung sind Anschlussbleche 22 angeordnet, die in äussere Anschlussfahnen 22a auslaufen. Der gesamte Stapel ist gegen die U-förmige Metallklammer 20 durch eine eingelegte dünne, gut wärmeleitende Isolierfolie 23 isoliert ; die Tabletten 21 geben ihre Verlustwärme über ihre Kanten an die Metallklammer 20 ab. Der Stapel wird durch Lappen 24 zusammengehalten, die aus den Seitenwänden der Metallklammer 20 herausgeschnitten sind. An jedem Ende des Stapels ist eine Isolierplatte 25 und eine Blattfeder 26 vorgesehen.
Die durch die Klammer 20 zusammengehaltene Anordnung wird nach Prüfung in einen trogartigen Becher 27 eingesetzt, der in den Figuren gestrichelt dargestellt ist, und mit einem Giessharz 28 vergossen.
Die Aussenflächen der Klammer 20 liegen dabei eng an den Wänden des Bechers 27 an. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist, dass die Wärmeübergangsflächen zwischen der Klammer 20 und dem Becher 27 erheblich grösser sind als die durch die Kanten der Tabletten 21 gebildete Kontaktfläche zwischen den Tabletten und der Klammer 20 ; im Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis dieser Flächen etwa 3 : 1. Die erstrebte Verbesserung der Wärmeabführung wird auch hier dadurch erzielt, dass die Verlustwärme der Gleichrichterelemente durch metallische Leitung auf relativ grosse Wände des Isoliergehäuses übertragen und von diesen an die Umgebung abgegeben wird.