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Das Stammpatent betrifft eine als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare Halbleiter-Schaltein- richtung mit Aroden-, Kathoden-und Gitteranschluss und einem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher mit eigener Anode, Kathode und Suuerelektrode, deren Kennzeichen darin bestehen, :
lass zwischen dem Git- teranschluss, dem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher und einem Vorspannungskreis ein Halbleiter-Impedanzelement angeordnet ist und dass der Halbleiter-Unterbrecher zwischen dem Anodenanschluss und dem KathodenanscbluE liegt. Diese Ersatzeinheit ermöglicht eine Herabsetzung der Ausfallzeiten in mit Thyratrons, u. zw. insbesondere mit phasengesteuerten Thyratrons bestückten A, llage'1 sowie eine Verminerung der Ersatz- und Instandhaltungskosten solcher Anlagen. Überdies kann durch Verwendung der Ersatzeinheiten der Gesamtwirkungsgrad der Schaltung erhöht werden.
Mit Thyratron-Röhren ist auch ein inten*ätsgesteuerter Betrieb möglich, weil die Durchbruchsspannun eine Funktion sowohl dei Gitterspannung als auch der Anodenspcnnung ist. Der Zündwinkel, d. h. die Zeitverzögerung zwischen dem Punkt, in dem das Wechselstrom-Eingangssignal dn Nullachse schneidet, und dem Punkt, in dem die Röhre zündet, kann durch eine Änderung der Gittervorspannung in einem kleinen Bereich geändert werden. Dieses einfache Verfahren wird üblicherweise ohne Verstärkung der Gittervorspannung angewendet, weil die Anforderungen an den Durchbruchstrom bei Thyratrons verhältnismässig gering und konstant sind.
Die hoheuund veränderlichen Anforderungen hinsichtlich des DurchbruchTaststromes bei als gesteuerte Gleichrichter wirkenden Hall leiter-Schalteinrichtungen, z. B. mit pnpn- Aufbau, ergeben jedoch Schwierigkeiten, wenn solche Gleichrichter direkt an Stelle von Thyratron-Röhren eingesetzt werden.
Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäss dadurch behoben. d1ss bei einer Ersatzeinheit der einleitend angegebenen Art der zur Steuerung der Leitfähigkeitszustandes des Halbleiber-Unterbrechers vorgesehene Schaltungsteil eine an die Last anschaltbare Bezugspotentialquelle enthält und drus zumindest ein TeiJ des an der Last wirksamen Potentials üt) er einen Verstärker z. B. einen Transistor als Steuerpotential am Halbleiter-Unterbrecher anliegt. Die auf diese Weise erzielte Verstärkung ermöglicht eine Zündung des gesteuerten Gleichrichters bei verhältnismässig kleinen Steuerspannungen, wobei automatisch die genaue Durchbruchsspannung eingestellt wird, die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts bei der geregelten Ausgangsspannung erforderlich ist.
Zusätzlich zu dem direkten Ersatz von Thyratron-Röhren in bestehenden Halbwellen-Schaltungen kann die Erfindung auch bei Vollwellen-Schaltungen nach einem neuen Anwendungsprinzip eingesetzt werden. Ein Überstrom-Schutz ist leicht zusätzlich sowohl bei den Halbweller. als auch bei den Vollwellen-Ausführungen zu erreichen.
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ; es zeigen Fig. l eine intensitätsgesteuerte HalbwellenSchaltung, in der eine Thyratron-Ersatzeinheil verwendet wird ; Fig. 2 eine andere intensitätsgesteuerte
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Halbwellen-Schaltung, in der ein zweites Ausführungsbeispiel einer Thyratron-Ersatzeinheit verwendet wird ; Fig. 3 ein Beispiel für die Anwendung der Fig. 1 und 2 in einer Vollwellen-Schaltung, bei der be- stimmte Schutzverfahren angewendet werden ; Fig. 4 ein zweites Vollwellen-Ausführungsbeispiel, bei dem eine Thyratron-Ersatzeinheit verwendet wird.
Es ist zu. beachten, dass die erste Ziffer jedes Bezugszeichens von Bauteilen in allen Figuren der
Zeichnungen der Nummer der Figur entspricht, in der dieser Bauteil zuerst erscheint.
Fig. l zeigt in dem mit gestrichelten Linien dargestellten Rechteck 112 eine mögliche Form einer Thyratron-Ersatzeinheit für eine intensitätsgesteuerte Schaltung. Mit 15, 16 und 17 sind in Fig. 1die
Anschlüsse für Anode, Kathode bzw. Gitter einer Thyratron-Röhre bezeichnet, Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l ist die Anode des gesteuerten Gleichrichters 101 mit dem Anodenanschluss für die Röhre verbunden, während die Kathode mit dem Kathodenanschluss für die Röhre verbunden ist. Der Emitter des
Verstärker-Transistors 102 liegt an der Tastleitung des gesteuerten Gleichrichters 101. Die Anode des gesteuerten Gleichrichters 101 ist mit dem Kollektor des Transistors 102 über einen Widerstand
105 verbunden.
Die Kathode des gesteuerten Gleichrichters 101 liegt über eine asymmetrisch leiten- de Zener-Einrichtung 103 am Kollektor des Transistors 102. Die Basis- und Kollektorelektroden des
Transistors 102 sind über einen Widerstand 104 verbunden.
Die Basiselektrode des Transistors 102 führt über eine asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung
106 an den Schleifer eines Potentiometers 107. Die Sekundärwicklung eines Transformators 109 istmitdenAnoden-und Kathodenänschlüssen des gesteuerten Gleichrichters 101, einer Last 108 und einer Filterdrossel 111 in Reihe geschaltet. An der Primärwicklung des Transformators 109 liegt eine Wechselstromquelle ll'O.
Die Schaltung nach Fig. 1. arbeitet wie folgt : In Abhängigkeit von der Gleichspannung an der Last ist die Basis des Transistors 102 entweder positiv oder negativ in bezug auf den Kathodenanschluss. Wenn die Basis des Transistors 102 in bezug auf den. Kathodenanschluss positiv ist, wird der Transistor leitend und es fliesst ein Basis-Emitter-Strom und als Folge davon ein Kollektor-Emitter-Strom. Der Kollektor-
Emitter-Strom stellt den Taststrom für den gesteuerten Gleichrichter 101 dar und verursacht den Durch- bruchbei einer kleinen Spannung in Durchlassrichtung.
Die Verstärkung des Transistors 102 ermöglicht daher ein Leitendwerden des gesteuerten Gleichrichters 101 bei verhältnismässig kleinen Basis-EmitterStrömen, so dass auf diese Weise das schon erwähnte Haupthindernis für den Ersatz von Thyratron-Röh- ren durch gesteuerte Gleichrichter beseitigt wird. Die genaue Durchbruchsspannung, die zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts bei der geregelten Ausgangsspannung erforderlich ist, wird automatisch durch die Rückkopplungsschleife eingestellt, welche die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 106, die
Basis-Emitter-Elektrodendes Transistors 102, die Tastkathode des gesteuerten Gleichrichters 101 und einen Teil des Potentiometers 107 enthält, wie im folgenden erläutert werden soll.
Wenn die Basis-
Emitter-Strecke des Transistors 102 zu stark negativ ist, d. h. wenn das Potential an der Basis des Tran- sistors 102 in bezug auf den Kathodenanschluss negativ ist, fliesst kein Taststrom und der gesteuerte Gleichrichter 101 kann nicht zünden. Das tritt dann auf, wenn die Ausgangsspannung zu hoch ist, beispielsweise während des Ausschwingvorganges, der der Abschaltung eines Teiles der Last folgt. Es ist zu beachten, dass erfindungsgemäss eine Ausnutzung der Verstärkung des Transistors erforderlich ist, so dass dieser nicht nur als Schalter arbeitet.
Die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 103 und der Widerstand 105 in Fig. l liefern die Ruhevorspannung für den Transistor 102. Die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 103 wird verwendet, um einerseits die Kollektorspannung des Transistors 102 auf einem stabilen Vorspannungswert zu halten und anderseits die an den Kollektor-Emitter-Elektroden des Transistors 102 auftretende Sperrspannung zu begrenzen, wenn der gesteuerte Gleichrichter 101 (durch eine hohe Sperrspannung) abgeschaltet wird. Wenn keine asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 103 verwendet würde, d. h. ein Widerstand an seine Stelle gesetzt würde, so müsste die zulässige Sperrspannung des Transistors 102 in der Grössenordnung der zulässigen Sperrspannung des gesteuerten Gleichrichters liegen.
Bei den meisten Stromversorgungsanlagen wäre dann ein speziell hergestellter Transistor erforderlich. Bei Verwendung einer asymmetrisch leitenden Zener-Einrichtung 103 können jedoch handelsübliche Transistoren mit ausreichender Verstärkung benutzt werden-Der Einsatz einer asymmetrisch leitenden Zener-Einrichtung 103 führt daher zu beträchtlichen Einsparungen.
Die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 106 stellt eine konstante Bezugsspannung (manchmal auch als die"Gitterbatterie"bezeichnet, die zur Steuerung des Zündwinkels benutzt wird) für die
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Basisstrecke des Transistors 102 zur Verfügung. Der Widerstand 104 ist erforderlich, um einen
Dauerstrom für die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 106 unabhängig von den Leitfähigkeit- zuständen des Transistors 102 und des gesteuerten Gleichrichters 101 aufrecht zu halten. Der Wider- stand 104 lässt ausserdem den Basis-Treiberstrom für den Transistor 102 fliessen. Der Widerstand 105 ergibt einen Dauerstromweg für die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 103, der ebenfalls vom Leitfähigkeitszustand des Transistors 102 unabhängig ist.
Solange der gesteuerte Gleichrichter 101 noch nicht durch den Kollektor-Emitter-Strom des Transistors 102 leitend wird. fliesst daher der ge- samte Strom durch den Widerstand 104, durch die asymmetrischleitende Zener-Einrichtung 106, einen Teil des Potentiometers 107 und die Filterdrossel 111. Der Strom über den Widerstand 105 teilt sich auf zwischen dem Widerstand 104 und der asymmetrisch leitenden Zener-Einrichtung 103.
Wenn der gesteuerte Gleichrichter 101 leitend wird, wird der Strom durch den Widerstand 104 auf die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 106 und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 102 aufgeteilt, der dann den Taststrom des gesteuerten Gleichrichters 101 bestimmt. Der Taststrom wird vom Stromfluss über den Widerstand 105 geliefert, der jetzt aufgeteilt ist in den Kollektor-Emitter-
Strom des Transistors 102. und den Strom über den Widerstand 104 und die asymmetrisch leitende
Zener-Einrichtung 103. Das Potentiometer 107 ermöglicht einen wahlweisen Abgriff der Ausgangsspannung, die an der Last 108 liegt. Die Induktivität 111 wirkt als Filterdrossel.
Wie bereits angegeben, stellt die aus der asymmetrisch leitenden Zener-Einrichtung 106, der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 102, derTastkathode des gesteuerten Gleichrichters 101 und einem Teil des Potentiometers 107 bestehende Schleife einen Ruckkopplungsweg zur Aufrechterhaltung einer geregelten Ausgangsspannung dar. Es ist zu beachten, dass der Transistor 102 durch ein geeignetes Impedanzelement ersetzt werden könnte oder auch völlig weggelassen werden könnte, wenn der für den gesteuerten Gleichrichter erforderliche Taststrom klein genug wäre. Dieses Impedanzelement wäre an Stelle der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 102 einzusetzen, wobei die asymmetrisch leitende Zener-Einrichtung 106 direkt mit der Tastleitung des gesteuerten Gleichrichters 101 zu verbinden wäre, um den Rückkopplungsweg weiter bestehen zu lassen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist eine intensitätsgesteuerte Halbwelle n-Schaltung. Eine solche Schaltung kann in eine Vollwellen-Schaltung umgewandelt werden, indem die Sekundärwicklung des Transformators 109 mit Mittelabgriff ausgebildet wird, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, und der Anodenanschluss einer zweiten Thyratron-Ersatzeinheit, die identisch mit der in dem gestrichelten Rechteck 112 gezeigten ist, an den Punkt A in Fig. 1 angeschlossen wird. Der Kathodenanschluss der zwei ten Einheit 112 wäre mit dem Punkt B und der Gitteranschluss mit dem Punkt C zu verbinden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Thyratron-Ersatzeinheit für intensitätsgesteuerte Schaltungen. Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Schaltung nach Fig. 1 und wird daher an dieser Stelle nicht weiter besprochen. Hiebei ist zusätzlich in Reihe mit dem gesteuerten Gleichrichter 101 eine asymmetrisch leitende Einrichtung 225 geschaltet, um die an dem gesteuerten Gleichrichter 101 auftretenden Sperrspannungen in Anwendungsfällen aufzuteilen, bei denen übermässig hohe Sperrspannungen vorhanden sind. Der Widerstand 226 unterstützt zusammen mit dem Widerstand 105 diese Aufteilung der Sperrspannung.
Die asymmetrisch leitende Einrichtung 220 bildet eine Sperre, die bei einer Vollwellen-Ausführung (gestrichelt
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dere Thyratron-Ersatzeinheit"eingeschaltet"ist. Eine Ballastlampe 224, ein Widerstand 223 und eine asymmetrisch leitende Einrichtung 222 stellen eine"Abfallsteuerung"der Schaltung dar ; wenn der Laststrom einen vorbestimmten maximalen Wert erreicht, ändert sich die Regelung von konstanter Spannung auf konstanten Strom, und die Lastspannung wird progressiv herabgesetzt, um eine Überlastung der Anlage zu verhindern. Bei Lastströmen unterhalb des voreingestellten"Abfallwertes"führen sowohl die Einrichtung 222 als auch der Widerstand 223 Strom und teilen den Stromfluss über den Widerstand 107 auf.
Solange die Einrichtung 222 leitet, regelt das System auf eine konstante Spannung an der Last 108 ein. An dem"Abfallpunkt"wird der Spannungsabfall an der Lampe 224 so gross, dass der gesamte Strom vom Widerstand 107 über den Widerstand 223 fliesst und die Einrichtung 222 nichtleitend wird. In diesem Punkt oder bei noch höherer Belastung hält die Regeleinrichtung eine konstante Spannung an der Reihenschaltung aus der Last 108 und der Lampe 224 aufrecht. Die Lastspannung wird also um den Spannungsabfall an der Lampe 224 herabgesetzt, deren nichtlineare Widerstandskennlinie so beschaffen ist, dass sie den Ausgangsstrom durch die Last auf einen etwa konstanten Wert begrenzt.
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Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine intensitätsgesteuerte Vollwellen-Re- gelschaltung, bei der nur eine Thyratron-Ersatzeinheit 112 verwendet wird. Die Arbeitsweise der Thy- ratron-Ersatzeinheit 112 ist in Verbindung mit Fig. 1 besprochen worden und soll daher hier nicht wei- ter erörtert werden.
Ein Vollwellen-Brückengleichrichter 330 ist mit der Sekundärwicklung des Transformators 109 verbunden. Die asymmetrisch leitende Einrichtung 332 ist eine Rücklauf-Einrichtung. Die Arbeitswei- se der Rücklauf-Einrichtung ist leicht zu übersehen, wenn der Zustand betrachtet wird, der dann herrscht, wenn die Thyratron-Ersatzeinheit"abgeschaltet"wird. Wenn der Stromfluss durch die Thyratron-Ersatz- einheit aufhört, sucht die in der Filterinduktivität 111 gespeicherte Energie den Stromfluss in gleicher
Richtung aufrecht zu erhalten.
Wenn die asymmetrisch leitende Rücklauf-Einrichtung 332 nicht vorge- sehen wäre, würden Kriechstromwege über die Dioden des Brückengleichrichters 330 es möglich ma- chen, dass diese Energie eine Spannung in Reihe mit der Spannung mit der Sekundärwicklung des Trans- formators-109 erzeugt, die dann verhindert, dass die Thyratron-Ersatzeinheit 112 abgeschaltet wird, obwohl die Polarität der Wechselspannung an der Sekundärwicklung des Transformators 109 umkehrt.
Eine Regelung durch das System kann dann nicht stattfinden. Die Einfügung der asymmetrisch lei- tenden Rücklauf-Einrichtung 332 schafft jedoch einen Entladungsweg für die in der Induktivität 111 gespeicherte Energie über die Last und ermöglicht auf diese Weise, dass die Thyratron-Ersatzeinheit jedes- mal dann abschaltet, wenn sich die Quellenspannung umkehrt. Ein damit zusammenhängender Vorteil besteht darin, dass die asymmetrisch leitende Einrichtung 332 ausserdem den mittleren Strom durch die
Thyratron-Ersatzeinheit herabsetzt.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine intensitätsgesteuerte Vollwellen-Regelschaltlmg.
Die grundsätzliche Arbeitsweiseder Schaltung nach Fig. 4 ist die gleiche wie bei der Schaltung nach Fig. 1 und soll daher hier nicht näher erläutert werden. Die asymmetrisch leitenden Einrichtungen 430 und 431 dienen als Sperren. Die asymmetrisch leitenden Einrichtungen 445 und 446 werden benutzt, um die richtige Vorspannung für die Ruhevorspannungsschaltung mit der asymmetrisch leitenden Zener-Einrich- tung 103 und dem Widerstand 105 zu erzeugen. Die Widerstände 442 und 443 stellen eine gleich- mässige Aufteilung der Tastströme für die gesteuerten Gleichrichter 440 und 441 ohne Rücksicht auf ihre speziellenTaststrom-Eigenschaften sicher.
Bei einer Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4 soll daran erinnert werden, dass, wie schon besprochen, die Zündung der Thyratrons in einer intensitätsgesteuerten Schaltung eine Funktion sowohl der Anoden- als auch der Gitcerspannung ist, wodurch wieder die Verwendung eines einzigen Steuerelementes (Transistor) bei dieser Ausführung ermöglicht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare Halbleitereinrichtung nach Stammpatent mit Anoden-, Gitter- und Kathodenanschluss und einem schaltenden Halbleiter-Unterbrecher mit eigener Anode, Kathode und Steuerelektrode, bei der zwischen dem Gitteranschluss, dem schaltenden Halblei- ter- Unterbrecher u'ld einem Vorspannungskreis ein Ha1bleiter- Impedanzelement liegt, da dur c h ge- kennzeichnet, dass der zur Steuerung des Leitfähigkeitszustandes des Halbleiter-Unterbrechers (101) vorgesehene Schaltungsteil eine an die Last (108) anschaltbar Bezugspotentialquelle (106) enthält und dass zumindestein Teildesander Last wirksamen Potentials über einen Verstärker, z.
B. einen Tiansistor (102) als Steuerpotential am Halbleiter-Unterbrecher (108) anliegt.