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Als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare
Halbleiter-Schalteinrichtung
Die Erfindung betrifft eine als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare Halbleiter-Schalteinrichtung mit Anoden-, Kathoden- und Gitteranschluss und einem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher mit eigener Anode, Kathode und Steuerelektrode.
Es ist eine grosse Zahl von Stromversorgungs-Einrichtungen bekannt, in denen als Steuerelemente Thyratrons verwendet werden ; die von den Thyratrons gesteuerten, sehr hohen Leistungen führen zu einer verhältnismässig kurzen Lebensdauer der Röhren. Das verursacht beträchtliche Ausfallzeiten sowie hohe Ersatz- und Instandhaltungskosten. Die jährlichen Instandhaltungskosten sind besonders bei einer Fernsprechanlage hoch, bei der sich grössere Anlageteile in abgelegenen und unbemannten Stationen befinden. Es ist daher wünschenswert, Thyratron-Röhren bei bereits bestehenden und in gleicher Weise auch bei neuen Anlagen durch zuverlässige röhrenlose Ersatzeinheiten mit langer Lebensdauer zu ersetzen.
Obwohl pnpn-Halbleitereinrichtungen (gesteuerte Gleichrichter, die beispielsweise in dem Aufsatz "A Silicon Controlled Rectifier-Its Characteristics and Ratings-"von D. K. Bisson andR. F. Dyre, Nummer 58-1248, American Institute of Electrical Engineers, beschrieben sind) allgemein als Halbleiter Thyratrons bezeichnet werden, sind Versuche, solche gesteuerte Gleichrichter direkt an Stelle von Thyratrons einzusetzen, bisher nicht erfolgreich gewesen. Der Hauptgrund dafür scheint zu sein, dass der erforderliche Taststrom, der bei einer bestimmten Spannung einen Durchbruch in einem gesteuerten Gleichrichter dieser Art bewirkt, verhältnismässig hoch und variabel im Vergleich zur Durchbruchsspan- nung und zum Strom am Gitter eines entsprechenden Thyratrons ist.
Es ist dabei zu beachten, dass zwar beim Vergleich von Thyratrons mit gesteuerten Gleichrichtern die Analogie der Durchbruchsspannung eines Thyratrons mit der Durchbruchsspannung des gesteuerten Gleichrichters allgemein benutzt wird, dass diese Analogie aber nicht ganz zutreffend ist, weil die Durchbruchsspannung des gesteuerten Gleichrichters sehr stark von der Temperatur abhängt und sich weitgehend von Gleichrichter zu Gleichrichter ändert. Eine zusätzliche Schwierigkeit entsteht dadurch, dass die maximale Sperrspannung eines gesteuerten Gleichrichters etwas kleiner ist als die einer vergleichbaren Thyratron-Röhre.
Es ist daher Ziel der Erfindung, eine Ersatzeinheit für eine Thyratron-Röhre zu schaffen und so die Ausfallzeiten, die Ersatz- und Instandhaltungskosten in Anlagen, die bisher mit Thyratrons bestückt sind, herabzusetzen. Insbesondere soll es durch die Erfindung ermöglicht werden, Thyratron-Röhren in allen Anlagen durch eine Ersatzeinheit mit Halbleitereinrichtungen zu ersetzen. Eine universelle Einsatzmöglichkeit einer solchen Ersatzeinheit wird jedoch nur auf Kosten des Aufwandes von Bauteilen erreicht" die für gewisse Anwendungsfälle überflüssig sind. Zur Vermeidung dieser überflüssigen Bauteile und der damit verbundenen zusätzlichen Kosten werden vorzugsweise zwei solcher Ersatzeinheiten zur Auswahl bereitgestellt.
Die eine wird immer dann benutzt, wenn das Thyratron durch die äussere Schaltung phasengesteuert wird, und die andere, wenn das Thyratron durch die äussere Schaltung intensitätsgesteuert ist. Bei phasengesteuerten Schaltungen steuert der Phasenunterschied zwischen einem Wechselstrom-Eingangssignal und einem Wechselstrom-Bezugssignal den Durchbruch des Thyratrons, während in intensi-
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tätsgesteuerten Schaltungen der Durchbruch von einer Gleichspannung gesteuert wird, die sich zum Zwecke der Steuerung in einem kleinen Bereich ändert.
Die Erfindung betrifft speziell phasengesteuerte Ersatzeinheiten für Thyratrons. Eine gemäss der Erfindung ausgebildete, als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare Halbleiter-Schalteinrichtung mit Anoden-, Kathoden- und Gitteranschluss und einem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher mit eigener Anode, Kathode und Steuerelektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gitteranschluss, dem
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zugsweise ein Transistor, angeordnet ist und dass der Halbleiter-Unterbrecher zwischen dem Anodenanschluss und dem Kathodenanschluss liegt.
Die erfindungsgemässe phasengesteuerte Ersatzeinheit für ein Thyratron besteht also im wesentlichen aus einer Einrichtung zur Unterbrechung eines Stromkreises (gesteuerter Gleichrichter), die entweder durch einen billigen Transistor oder durch ein äquivalentes Impedanzelement getastet wird, um die Eigenschaften einer Thyratron-Röhre nachzubilden. Der Transistor, der eine konstante Vorspannung erhält, bewirkt eine ausreichende Stabilisierung des Taststromes, um das"Zünden"des gesteuerten Gleichrichters sicherzustellen, und beseitigt auf diese Weise die oben erläuterte Schwierigkeit hinsichtlich des Taststromes gesteuerter Gleichrichter. Die Art der Vorspannung für den Transistor schafft ausserdem einen Sperrspannungsschutz für den gesteuerten Gleichrichter.
Zusätzlich werden weitere Einrichtungen, einschliesslich von Kombinationen einer asymmetrisch leitenden Einrichtung mit einem Widerstand und einer Rücklauieinrichtung verwendet, um die am gesteuerten Gleichrichter liegenden Sperrspannungen herab zusetzen.
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Die Fig. 1-3 zeigen je ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 erläutert eine praktische Anwendung der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1-3 und die Fig. 5 und 6 dienen zur Erklärung von Fig. 4. Man beachte, dass mit Ausnahme von Fig. 4 die erste Ziffer im Bezugszeichen jedes Bauteiles der Nummer der') Figur entspricht. in welcher der betreffende Bauteil zuerst erscheint. Die in Verbindung mit Fig. 4 verwendete Bezifferung wird bei der Besprechung dieser Figur erläutert.
In'Fig. l ist eine mögliche Ausführungsform einer phasengesteuerten Ersatzeinheit für ein Thyratron gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der gesteuerte Gleichrichter 10 in Reihe zwischen den Anodenanschluss 15 und den Kathodenanschluss 16 des ersetzten Thyratrons geschaltet.
Wie bekannt, hat ein Thyratron drei Anschlüsse, die mit Anode, Kathode und Gitter bezeichnet werden.
Der Emitter 12a des Transistors 12 ist mit der Tastleitung des gesteuerten Gleichrichters 10 verbunden. Der Widerstand 11 führt vom Kollektor des Transistors 12 zum Anodenanschluss 15, während eine asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 13 den Kollektor 12b des Transistors 12 mit dem Kathodenanschluss 16 verbindet. Zwischen dem Kathodenanschluss 16 und dem Gitternschluss 17 liegt eine weitere asymmetrisch leitende Einrichtung.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet wie folgt :
Wenn ein Wechselstrom-Steuersignal der richtigen Polarität an die Gitter- und Kathodenanschlüsse angelegt wird (die beispielsweise den Gitter- und Kathodenanschlüssen der Thyratrons 13 und 14 in Fig. 2 der schon genannten USA-Patentschrift Nr. 2,619, 626 entsprechen), so wird der Transistor 12 leitend. Die Ruhevorspannung für den Transistor 12 entsteht durch den Spannungsabfall an dem aus dem Widerstand 11 und der asymmetrisch leitenden Zener-Einrichtung 13 bestehenden Netzwerk.
Die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung wird verwendet, um einmal die Kollektorspannung des Transistors 12 auf einer stabilen Ruhevorspannung zu halten, und zum andern, um die über den Kol- lektor- Emitterelektroden des Transistors 12 liegende Sperrspannung zu begrenzen, wenn der gesteuerte Gleichrichter 10 (bei hoher Sperrspannung) "abgeschaltet" wird. Wenn keine asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung vorhanden wäre (d. h. wenn sich ein Widerstand an deren Stelle befände), müsste die sperrende Kollektor-Emitter-Nennspannung des Transistors 12 in der Grössenordnung der sperrenden Nennspannung des gesteuerten Gleichrichters liegen. Für die meisten Anwendungen in Stromversorgungen wäre dann ein speziell hergestellter, verhältnismässig teurer Transistor'erforderlich.
Bei Einsatz einer asymmetrisch leitenden Zener-Einrichtung 13 können jedoch billige Transistoren, die für andere Anwendungen unbrauchbar sind (wegen geringer Verstärkung usw.), verwendet werden. Der Einsatz einer asymmetrisch leitender Zener-Einrichtung 13 führt daher zu beträchtlichen Einsparungen. Es dürfte jedoch klar sein, dass, obwohl ein Transistor als Tastelement bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, auch ein Impedanzelement an dessen Stelle eingesetzt werden kann, wenn dadurch auch die Güte der Einheit etwas herabgesetzt wird.
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Wenn der Transistor 12 auf die oben beschriebene Weise leitend wird, stellt der Kollektor-Emitterstrom den Taststrom für den gesteuerten Gleichrichter 10 dar, der dann leitend wird. Wie bereits gesagt, wird der gesteuerte Gleichrichter 10 durch die an ihm liegende Sperrspannung abgeschaltet.
Eine asymmetrisch leitende Einrichtung 14 begrenzt die über der Basis-und Emitterelektrode des Transistors 12 liegende Spitzensperrspannung.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie bei der Schaltung nach Fig. 1 und wird daher nicht mehr im einzelnen besprochen. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein Widerstand 20 und eine asymmetrisch leitende Einrichtung 21 an Stelle der asymmetrisch leitenden Einrichtung 14 nach Fig. 1 zum Schutz des Basis-Emitterüberganges des Transistors 12 vorgesehen. Die Auswahl aus diesen beiden Schaltungen hängt von der benutzten Steuerschaltung ab. Die asymmetrisch leitende Enrichtung 22 ist zusätzlich in Reihe mit dem gesteuerten Gleichrichter 10 geschaltet, um die an diesem auftretende Sperrspannung in Anwendungsfällen aufzuteilen, bei denen sehr hohe Sperrspannungen auftreten.
Ein Widerstand 23 fördert in Verbindung mit dem Widerstand 11 diese Aufteilung der Sperrspannung. Da der Widerstand 11 auf Werte begrenzt ist, die einen ausreichend hohen Taststrom durch den Transistor 12 fliessen lassen, um den gesteuerten Gleichrichter 10 zu "zünden" und leitend zu halten, wird der grösste Teil der Sperrspannung am Widerstand 23 auftreten, so dass ein verhältnismä- ssig teurer, hochbelastbarer Widerstand erforderlich ist.
Fig. 3 zeigt ein drittes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein zusätzlicher Widerstand 30 vorgesehen ist, damit für den Widerstand 23 keine hohe Belastbarkeit erforderlich ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Sperrspannung zwischen den Widerständen 30 und 23 aufgeteilt. Die Verwendung von zwei billigen Widerständen an Stelle eines verhältnismässig teuren, hochbelastbaren Widerstandes führt zu einer Herabsetzung der Gesamtkosten der Ersatzeinheit. Wenn man die sehr grosse Anzahl von Thyratrons in einer Fernsprechanlage berücksichtigt, wird die erzielte grosse Einsparung verständlich. Die asymmetrisch leitende Einrichtung 31 stellt eine Sperre dar, die das Auftreten der Sperrspannungen amWiderstand 11 aus den schon erläuterten Gründen verhindert.
Die Schaltung nach Fig. 4 zeigt die Anwendung einer asymmetrisch leitenden Rücklaufeinrichtung 50 entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung bei einer in der Praxis vorhandenen Schaltung, in der die Ersatzeinheiten nach den Fig. 1, 2 oder 3 an Stelle von Thyratron-Röhren eingesetzt worden sind. Eine solche Schaltung ist in Fig. 2 der schon genannten USA-Patentschrift Nr. 2,619, 626 gezeigt. Die entsprechenden Bauteile nach Fig. 2 der genannten Patentschrift sind in Fig. 4 mit den
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trons 13'und 14'und die Last 12'. Die andern Bauteile der genannten USA-Patentschrift sind zum Zwecke grösserer Klarheit weggelassen.
In den meisten Anwendungsfällen ist die Einschaltung einer Filterdrossel in Reihe mit der Last erforderlich. Eine solche Drossel ist als Element 51 in Fig. 4 gezeigt. Die Einfügung dieses Elementes ist erforderlich, um die Funktion der asymmetrisch leitenden Rücklaufeinrichtung 50 zu zeigen, die sich am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 verstehen lässt. In Fig. 5 ist angenommen, dass das Phasensteuersignal so beschaffen ist, dass die dem Thyratron 13'in der genannten USA-Patentschrift entsprechend Ersatzeinheit im Punkt C gezündet wird. Auf Grund der Phasenverschiebung zwischen dem Eingangs-und Steuersignal leitet diese Einheit, bis der Punkt A erreicht ist, wie durch die schraf-
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signal gezündet, und die Ausgangsspannung springt plötzlich vom Punkt A nach B.
Die Eigenschaften der Filterdrossel 51 bewirken jedoch, dass der Strom in der gleichen Richtung durch die Drossel 51 weiterfliesst. Entsprechend diesen Eigenschaften bricht der die Drossel umgebende Magnetfluss zusammen und induziert eine hohe Spannung an der Drossel, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten, der jetzt dem Stromfluss durch die leitende Thyratron-Einheit 14'entgegengesetzt gerichtet ist.
Die. induzierte Gegenspannung zusammen mit dem plötzlichen Sprung vom Punkt A nach B der Ausgangsspannung, wie in Fig. 5 gezeigt, bewirkt, dass eine hohe Sperrspannung an die abschaltende Thyratron-Ersatzeinheit angelegt wird, die im vorliegenden Beispiel das Thyratron 13'ist. Es wurde gefunden, dass dieser plötzliche Spannungssprung zusätzlich zu den Ausgleichsspannungen bei hoher Belastung auch eine Zerstörung des gesteuerten Gleichrichters in der Ersatzeinheit bewirkt. Durch Einfügung der asymmetrisch leitenden Rücklaufeinrichtung 50 entsprechend einem Merkmal der Erfindung wird diese Schwierigkeit jedoch im wesentlichen beseitigt. Die Wirkung der asymmetrisch leitenden. Rücklaufeinrichtung lässt sich aus
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dem gestrichelten Teil der Fig. 5 erkennen.
Wie dort gezeigt, wird in dem dem Wert entsprechen- den Zeitpunkt die asymmetrisch leitende Rücklaufeinrichtung 50 leitend und setzt die am Drosselfil- ter 51 und an der Last 12'auftretende Spannung auf den kleinen Durchlass-Spannungsabfall an der asymmetrisch leitenden Einrichtung 50 herab. Die Energie in der Filterspule 51 entlädt sich jetzt über die asymmetrisch leitende Einrichtung 50, um die Spannung an der Last 12'konstantzuhalten.
Dieser Zustand dauert so lange an, bis der Zeitpunkt ADB erreicht ist und das Thyratron 14'zün- det. Man beachte, dass ohne die asymmetrisch leitende Einrichtung 50 der Spannungssprung von A nach B stattfand, wogegen der Spannungssprung jetzt nur halb so gross ist, d. h. zwischen D und B liegt.
Bei einer typischen Eingangsspannung von 800 V (die an der Sekundärwicklung des Transforma- tors 10'erscheint) stellt das eine Herabsetzung um 400 V dar.
Die asymmetrisch leitende Rücklaufeinrichtung 50 gemäss der Erfindung hat eine weitere vorteil- hafte Auswirkung, die am besten unter Bezugnahme auf Fig. 6 zu erläutern ist. Dort ist die an der Thy- ratron-Ersatzeinheit 13'erscheinende Spannung dargestellt. Wie gezeigt, bildet sich die Spannung aus, bis der Punkt E erreicht ist und die Einheit zündet. Der Spannungsabfall an der leitenden Einheit ist für alle praktischen Anwendungsfälle in Stromversorgungssystemen Null. Dieser Zustand dauert an, bis der dem Wert Tr entsprechende Zeitpunkt erreicht ist und die asymmetrisch leitende Rücklaufeinrich- tung 50 leitend wird.
Das ist leicht einzusehen, wenn man sich daran erinnnert, dass der Spannungsab- fall an der Thyratron-Einheit 13'Null ist und zu dem dem Wert entsprechenden Zeitpunkt die
Spannung am oberen Ende der Sekundärwicklung des Transformators 10 negativ mit Bezug auf die Mit- telanzapfung ist. Die Kurvenform an der Sekundärwicklung ist als gestrichelte Linie in Fig. 6 gezeigt. Da der Spannungsabfall in Durchlassrichtung an der asymmetrisch leitenden Einrichtung 50 vernachlässig- bar ist, muss die an der oberen Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators 10'auftretende Span- nung (die als gestrichelte Kurve gezeichnet ist, auf welcher der Punkt F liegt) an der Thyratron-Ein - heit 13'als Sperrspannung auftreten.
Die Sperrspannung folgt der Kurvenform der Eingangsspannung bis zum Zeitpunkt HFG, wenn das Thyratron 13'abgeschaltet und das Thyratron 14'gezündet wird. Der Spannungssprung am Thyratron 13'liegt jetzt nur zwischen den Punkten Fund G. Wenn wieder der oben genannte typische Wert von 800 V Spitze-Spitze angenommen wird, findet ein Span- nungssprung von nur 400 V statt, im Gegensatz zu dem Sprung von 500 V von H nach G, der ohne die asymmetrisch leitende Rücklaufeinrichtung 50 auftreten würde. Auf diese Weise dient die asymme- trisch leitende Rücklaufeinrichtung 50 mehreren Zwecken. Entsprechend diesem Merkmal der Erfin- dung werden die induzierten Gegenspannungen ausgeschaltet, Last-Ausgleichsvorgänge herabgesetzt und die Ersatzeinheiten mit gesteuerten Gleichrichtern geschützt.
In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 2 und 3 sind zwar npn-Transistoren gezeigt, doch können analog auch pnp-Transistoren verwendet werden, indem einfach die Anschlüsse zu den Kollek- tor- und Emitterelektroden vertauscht werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare Halbleiter-Schalteinrichtung mit Anoden-, Ka- thoden-und Gitteranschluss und einem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher mit eigener Anode, Kathode und Steuerlektrode, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gitteranschluss (17), dem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher (10) und einem Vorspannungskreis (11,13) ein Halbleiter-Impe- danzelement, vorzugsweise ein Transistor (12), angeordnet ist und dass der Halbleiter-Unterbrecher (10) zwischen dem Anodenanschluss (15) und dem Kathodenanschluss (16) liegt.