CH452032A - Verwendung einer als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbaren Halbleiter-Schalteinrichtung in einer gesteuerten Gleichrichterschaltung - Google Patents
Verwendung einer als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbaren Halbleiter-Schalteinrichtung in einer gesteuerten GleichrichterschaltungInfo
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Description
Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 408 174 Verwendung einer als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbaren Halbleiter-Schalteinrichtung in einer gesteuerten Gleichrichterschaltung Das Hauptpatent betrifft eine als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbare Halbleiter-Schalteinrich- tung, mit einer ersten, zweiten und dritten Anschluss- klemme, wobei diese Klemmen, den Anoden-, Katho den- und Gitteranschlüssen eines - Thyratrons entspre chen sollen, mit einem gesteuerten Halbleitergleichrich- terelement mit Anode, Kathode und Steuerelektrode, deren Kennzeichen darin bestehen, dass zwischen der dritten Anschlussklemme und der Steuerelektrode des gesteuerten Halbleitergleichrichterelementes ein mit einem Vorspannungskreis verbundenes Halbleiter-Im- pedanzelement angeordnet ist und dass die Anoden Kathodenstrecke des Halbleitergleichrichterelementes zwischen .der ersten Klemme und der zweiten Klemme liegt. Die genannte Ersatzeinheit ermöglicht eine Herab sezung der Ausfallzeiten in mit Thyratrons, und zwar insbesondere mit phasengesteuerten Thyratrons, be stückten Anlagen sowie eine Verminderung der Ersatz- und Instandhaltungskosten solcher Anlagen. Überdies kann durch Verwendung der Ersatzeinheiten der Ge samtwirkungsgrad der Schaltung erhöht werden. Mit ThyTatronröhren ist auch ein intensitätsgesteu erter Betrieb möglich, weil die Durchbruchspannung eine Funktion sowohl der Gitterspannung als auch der Anodenspannung ist. Der Zündwinkel, dass heisst die Zeitverzögerung zwischen dem Punkt, in dem das Wechselstrom-Eingangssignal die 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 Gittervor- spannung angewendet, weil die Anforderungen an den Durchbruchstrom bei Thyratrons verhältnismässig .ge ring und konstant sind. Die hohen und veränderlichen Anforderungen hinsichtlich des Durchbruch-Taststro- mes bei gesteuerten Gleichrichterschaltungen ergeben jedoch Schwierigkeiten, wenn anstelle von Thyratron- röhren Halbleiter-Schalteinrichtungen, z. B. mit pnpn-Aufbau, eingesetzt werden. Das Hauptpatent betrifft ferner die Verwendung der genannten Halbleiter-Schalteinrichtung in einer gesteuerten Gleichrichte:rschaltung mit einer asyme- trisch leitenden Rücklaufeinrichtung und einer Filter spule, die in Serie zum Verbraucher geschaltet ist. Gegenstand :der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung der als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbaren Halbleiter-Schalteinrichtung des Haupt patentes, die dadurch gekennzeichnet ist, dass an die zweite, mit der Kathode des Halbleitergleichrichterele- mentes verbundene Anschlussklemme das eine Ende eines Spannungsteilers angeschlossenen ist, und dass zwischen dem Abgriff dieses Spannungsteilers und der dritten Anschlussklemme eine Bezugspotentialquelle geschaltet ist. Diese Art der Verwendung ermöglicht eine Zün dung des Gleichrichterelementes mit verhältmässig kleinen Steuerspannungen, mit vorzugsweise, automati scher Einstellung der genauen Durchbruchsspannung, :die zur Aufrechterhaltung :des Gleichgewichtes: bei der geregelten Ausgangsspannung erforderlich ist. Die Er findung kann z. B. sowohl auf Halbweg-Gleichrichter- schaltungen als auch bei Vollweg-Gleichrichterschal- tungen angewendet werden. Vorzugsweise kann ein Überstromschutz zusätzlich sowohl bei den Halbweg- als auch bei den Vollweg-Ausführungen erreicht wer den. Die Erfindung wird im folgenden durch Ausfüh rungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen er läutert. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer intensi tätsgesteuerten Halbweg-Gleichrichterschaltung, in der eine Ersatzeinheit verwendet ist. Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer inten sitätsgesteuerten Halbweg-Gleichrichterschaitung, in der eine andere Ausführungsform der Ersatzeinheit verwendet ist. Fig.3 ein Beispiel für die Verwendung der in Fig. 1 bzw. 2 dargestellten Ersatzeinheit in einer Voll weg-Gleichrichterschaltung, und Fig.4 ein zweites Beispiel einer Vollweg-Gleich- richterschaltung mit einer solchen Ersatzeinheit. Man beachte, dass die erste Ziffer jedes Bauteils in allen Figuren der Zeichnungen der Nummer der Figur entspricht, in der dieses Bauteil zuerst erscheint. Fig. 1 zeigt in dem mit gestrichelten Linien darge stellten Kästchen 112 eine mögliche Form einer Thyra- tron-Ersatzeinheit für eine intensitätsgesteuerte Schal tung. Die Überweisungszeichen 15 (Anode), 16 (Kathode) und 17 (Gitter) in Fig. 1 beziehen sich auf die entsprechenden Anschlüsse einer Thyratronröhre. Bei dem erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Anodenanschluss des gesteuerten Gleich richters 101 mit dem entsprechenden Anodenanschluss der Röhre verbunden, während sein Kathodenan- schluss mit dem entsprechenden Kathodenanschluss der Röhre verbunden ist. Der Emitter des Verstärker- Transistors 102 liegt an der Tastleitung des gesteuerten Gleichrichters 101. Die Anoden-Elektrode des gesteu erten Gleichrichters 101 ist mit der Kollektorelektrode des Transistors 102 über den Widerstand 105 verbun den. Die Kathodenelektrode des gesteuerten Gleich richters 101 liegt über die Zenerdiode 103 an der Kol- lektorelektrode des Transistors 102. Die Basis- und Kollektorelektroden des Transistors 102 sind über den Widerstand 104 verbunden. Die Basiselektrode des Transistors 102 führt über die Zenerdiode 106 an den Schleifer des Potentiometers 107. Die Sekundär-Wick- lung des Transformators<B>109</B> ist mit den Anoden- und Kathodenanschlüssen des gesteuerten Gleichrichters <B>101,</B> der Last 108 und der Filterdrossel 111 in Reihe geschaltet. Die Wechselstromquelle 110 liegt an der Primär-Wicklung des Transformators 109. 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 mit Bezug auf den Kathodenanschluss. Wenn die Basis des Transistors 102 mit Bezug auf den Kathodenanschluss positiv ist, wird der Transistor lei tend, und es fliesst ein Basis-Emitter- und als Folge davon ein Kollektor-Emitter-Strom. Der Kollektor- Emitter-Strom stellt den Taststrom für den gesteuerten Gleichrichter 101 dar und verursacht den Durchbruch bei einer kleinen Durchlasspannung. Die Verstärkung des Transistors 102 ermöglicht daher ein Leitendwer- den des gesteuerten Gleichrichters 101 bei verhältnis- mässig kleinen Basis-Emitter-Strömen, so dass auf diese Weise das Haupthindernis beim Ersatz von Thy- ratronröhren durch gesteuerte Gleichrichter beseitigt wird, wie oben angegeben. Die genaue Durchbruchs spannung, die zur Ausgangsspannung erforderlich ist, wird automatisch durch die Rückkopplungsschleife ein gestellt, die die Zenerdiode 106, die Basis-Emitter- Strecke des Transistors 102, die Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters<B>101</B> und einen Teil des Potentiometers 107 enthält, wie im folgenden erläutert werden soll. Wenn die Basis-Emitter-Strecke des Tran sistors 102 zu stark negativ ist, d. h. die an der Basis des Transistors 102 mit Bezug auf den Kathodenan schluss auftretende Spannung negativ ist, fliesst kein Taststrom, und der gesteuerte Gleichrichter 101 kann nicht zünden. Dies tritt dann auf, wenn die Ausgangs- spannung zu hoch ist, beispielsweise während eines einer Verringerung der Last folgenden übergangsvor- gangs. Man beachte, dass die Ausnützung der Verstär- kung des Transistors erforderlich ist, der daher also nicht nur ass Schalter arbeitet. Die Zenerdiode 103 und der Widerstand 105 in Fig. 1 liefern die Ruhevorspannung für den Transistor 102. Eine Zenerdiode 103 wird verwendet, um sowohl die Kollektorspannung des Transistors 102 auf einem stabilen Vorspannungswert zu halten, als auch um die an den Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 102 auftretende Sperrspannung zu begrenzen, wenn der gesteuerte Gleichrichter 101 (durch eine hohe Sperr- spannung) abgeschaltet wird. Wenn keine Zenerdiode 103 verwendet würde, d. h. ein Widerstand an seine Stelle gesetzt würde, müsste die zulässige Sperrspan nung des Transistors 102 in der Grössenordnung der zulässigen Sperrspannung des gesteuerten Gleichrich ters liegen. Bei den meisten Stromversorgungsanwen dangen wäre dann ein speziell hergestellter Transistor erforderlich. Bei Verwendung einer Zenerdiode 103 können jedoch handelsübliche Transistoren mit aus reichender Verstärkung benutzt werden. Der Einsatz einer Zenerdiode 103 führt daher zu beträchtlichen Einsparungen. Die Zenerdiode 106 stellt eine kon stante Bezugsspannung (manchmal auch als die Git terbatterie bezeichnet, die zur Steuerung des Zünd winkels benutzt wird) für die Basis des Transistor 102 zur Verfügung. Der Widerstand 104 ist erforderlich, um einen Dauerstrom für die Zenerdiode 106 unab hängig von den Leitfähigkeitszuständen des Transi stors 102 und des gesteurten Gleichrichters 101 auf recht zu halten. Der Widerstand 104 lässt ausserdem den Basis-Treibstrom für den Transistor 102 fliessen. Der Widerstand 105 ergibt einen Dauerstromweg für die Zenerdiode <B>103,</B> der ebenfalls vom Leitfähigkeits- zustand des Transistors 102 unabhängig ist. Solange der gesteuerte Gleichrichter 101 noch nicht durch den Kollektor-Emitter-Strom durch den Transistor 102 lei tend wird, fliesst daher der gesamte Strom durch den Widerstand 104, durch die Zenerdiode 106, einen Teil des Potentiometers 107 und die Filterdrossel 111. Der Strom durch den Widerstand 105 teilt sich auf zwi schen den Widerstand 104 und die Zenerdiode 103. Wenn der gesteuerte Gleichrichter 101 leitend wird, wird der Strom durch den Widerstand 104 auf die Zenerdiode 106 und den Basis-Emitter-Stromweg des Transistors 102 aufgeteilt, der dann den Taststrom des gesteuerten Gleichrichters 101 bestimmt. Der Tast- strom wird von dem Strom durch den Widerstand 105 geliefert, der jetzt aufgeteilt ist in den Kollektor-Emit- ter-Strom durch den Transistor 102 und den Strom durch den Widerstand 104 und die Zenerdiode 103. Das Potentiometer 107 ermöglicht einen wahlweisen Abgriff der Ausgangsspannung, die an der Last<B>108</B> liegt, Die Induktivität 111 stellt eine Filterdrossel dar. Wie bereits angegeben, stellt die aus der Zener- diode 106, den Basis-Emitter-Strecke des Transistors 102, der Steuerelektrode des gesteuerten Gleichrichters 101 und einem Teil des Potentiometers 107 bestehende Schleife einen Rückkopplungsweg zur Aufrechterhal tung einer geregelten Ausgangsspannung dar. Man be achte, dass der Transistor 102 durch ein anderes ge eignetes Halbleiter-Impedanzelement ersetzt werden könnte. Wenn ein solches Impedanzelement eingesetzt würde, müsste es anstelle der Kollektor-Emitter-Elek- troden des Transistors 102 eingesetzt werden, während die Zenerdiode 106 direkt mit der Tastleitung des ge steuerten Gleichrichters 101 verbunden würde, um den Rückkopplungsweg weiter bestehen zu lassen. Das erfindungsgemässe Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist eine intensitätsgesteuerte Halbwellen-Schal- tung. Eine solche Schaltung kann in. eine Vollwellen- Schaltung umgewandelt werden, indem eine Sekundär- Wicklung des Transformators 109 mit Mitte#labgriff benutzt wird, wie gestrichelt in der Figur angedeutet, und der Anodenanschluss einer zweiten Einheit, die identisch mit der in dem gestrichelten Kästchen 112 ist, an den Punkt A in Fig. 1 angeschlossen wird. Der Kathodenanschluss der zweiten Einheit 112 würde mit dem Punkt B und der Gitteranschluss mit :dem Punkt C verbunden. Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Festkörper-Thyratron-Ersatzeinheit für intensitätsge- steuerte 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. Die Diode 225 ist zusätzlich in Reihe mit den gesteuerten Gleichrichter 101 ge schaltet, um die an dem gesteuerten Gleichrichter 101 auftretenden Sperrspannungen in Anwendungsfällen aufzuteilen, bei denen übermässig hohe Sperrspannun- gen vorhanden sind. Der Widerstand 226 zusammen mit dem Widerstand<B>105</B> unterstützt diese Aufteilung der Sperrspannung. Die Diode 220 ist eine Sperre, die bei einer. Vollwellen-Ausführung (gestrichelt darge stellt, wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert) erforder lich isst, um einen dauernden Kriechstromweg über die Basis-Emitter-Strecke der abgeschalteten Thyratron Ersatzeinheit zu verhindern wenn die andere Thyra- tronErsatzeinheit eingeschaltet ist. Die Widerstands lampe 224, der Widerstand 223 und die Diode 222 stellen eine Abfal!lsteuerung der Schaltung dar, d. h. wenn der Laststrom einen vorbestimmten maximalen Wert erreicht, ändert sieh die Regelung von konstanter Spannung auf konstanten Strom, und die Lastspannung wird progressiv herabgesetzt, um eine überlastung der Ausrüstung zu verhindern. Bei Lastströmen unterhalb des voreingestellten Abfallwertes leitet sowohl die Diode 222 als auch. der Widerstand 223 und teilen den Stromfluss durch den Widerstand 107 auf. Solange die Diode 222 leitet, hält das, System .eine konstante Span nungsregelung an der Last 108 aufrecht. An dem Ab- fallpunkt wird der, Spannungsabfall an der Lampe genügend gross, so dass der gesamte Strom durch den Widerstand 107 durch den Widerstand 223 fliesst und ' die Diode 222 nichtleitend wird. An diesem Punkt oder für noch höhere Belastungen hält die Regelein richtung eine konstante Spannung an der Reihenschal tung aus der Last 108 und der Lampe 224 aufrecht. Die Lastspannung wird also um den Spannungsabfal- lan der Lampe 224 herabgesetzt, deren nichtlineare Widerstandkennlinie so beschaffen ist, dass sie den Ausgangsstrom durch die Last auf einen etwa konstan ten Wert begrenzt. Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel der Er findung ist eine intensitätsgesteuerte Vollwellen-Regel- schaltung, bei der nur eine ThyratronErsatzeinheit 112 verwendet wird. Die Arbeitsweise der Thyratron- Ersatzeinheit 112 ist in Verbindung mit Fig. 1 bespro- chen worden und soll daher hier nicht weiter <RTI ID="0003.0129"> erörtert werden. Ein Vollwellen Brückengleichrichter 330 ist mit der Sekundär-Wicklung des Transformators 109 verbunden. Die Diode 332 ist eine Rücklaufeinrich- tung. Die Arbeitsweise der Rücklaufeinrichtung ist leicht zu übersehen, wenn der Zustand betrachtet wird, der dann herrscht, wenn die Thyratron-Einheit abge- schaltet wird. Wenn der Stromfluss durch die Thyra- tron-Einheit aufhört, sucht die in der Filterinduktivität 11 gespeicherte Energie den Stromfluss in gleicher Richtung aufrechtzuerhalten. Wenn die Diode 332 nicht vorgesehen wäre, würden Kriechstromwege durch die Dioden des Brückengleichrichters 330 es möglich machen, dass diese Energie :eine Spannung in Reihe mit der Spannung mit der Sekundär-Wicklung des Transformators 109 erzeugt, die dann verhindert, dass die Thyratron-Einheit 112 abgeschaltet wird, obwohl die Polarität der Wechselspannung an der Sekundär Wicklung des Transformators 109 umkehrt. Eine Regelung durch das System kann dann nicht stattfin den. Die Einfügung der Diode 332 schafft jedoch einen Entladungsweg für die in der Induktivität 111 gespei cherte Energie über die Last und ermöglicht auf diese Weise, dass die Quellenspannung umkehrt. Ein dazu in. Beziehung stehender Vorteil besteht darin, dass die Diode 332 ausserdem den: mittleren Strom durch die Thyratron-Ersatzeinheit herabsetzt. Das in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemässe Ausfüh- rungsbeispiel ist eine intensitätsgesteuerte Vollwellen- Regelschaltung. Die grundsätzliche Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4 ist die gleiche wie bei der Schal tung nach Fig. 1 und soll daher nicht näher erläutert werden: . Die Dioden 430 und 431 dienen als Sperren. Die Dioden 445 und 446 werden benutzt, um die rich tige Vorspannung für die Ruhevorspannungsschaltung mit der Zenerdiode 103 und dem Widerstand 105 zu erzeugen. Die Widerstände 442 und 443 stellen eine gleichmässige Aufteilung der Tastströme für die ge steuerten Gleichrichter 440 und 441 ohne Rücksicht auf ihre speziellen Taststrom-Eigenschaften sicher. Bei einer Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 4 soll daran erinnert werden, dass, wie oben besprochen, die Zündung der Thyratrons in einer in tensitätsgesteuerten Schaltung sowohl eine Funktion der Anoden als auch der Gitterspannung ist, wodurch wiederum die Verwendung eines einzigen Steuerele mentes (Transistor) bei dieser Ausführung ermöglicht RTI ID="0003.0220" WI="8" HE="3" LX="1122" LY="1683"> wird. In den Schaltungen der Fig. 1, 2 und 4 ist zwar keine Rücklaufeinrichtung eingezeichnet, doch .ist auch in diesen Schaltungen eine solche vorgesehen, die der Rücklaufeinrichtung 332 1n Fig. 3 entspricht.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH Verwendung der als Ersatz für eine Thyratronröhre verwendbaren Halbleiter-Schalteinrichtung in einer gesteuerten Gleichrichterschaltung nach Patentan spruch II des Hauptpatentes, dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite, mit der Kathode des Halbleiter- gleichrichterelementes (101) verbundene Anschluss- klemme (16)das eine Ende eines Spannungsteilers (107, 221, 107) angeschlossen ist, und dass zwischen dem Abgriff dieses Spannungsteilers und der dritten Anschlussklemme (17) eine Bezugspotentialquelle (106) geschaltet ist. UNTERANSPRüCHE 1. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass als Bezugspotentialquelle eine Zenerdiode dient. 2.Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass der Vorspannungskreis aus einem Widerstand (104) und einer asymmetrisch leitenden Komponente (103) besteht, welche mit dem Halbleiter- Impedanzelement verbunden ist. 3.Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass an das andere Ende des Spannungs teilers (221, 107) als Überlastungsschutz eine Schaltung aus einem linearen Impedanzelement (223), einem nicht linearen Impedanzelement (224) und einer assymetrisch leitenden Einrichtung (222) angeschlossen ist. 4.Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge- kennzeichnet, dass als Halbleiter-Impedanzelement ein Transistor dient und dass ein Rückkopplungskreis vor- gesehen ist, welcher in Serienschaltung eine Zener- diode (l06), die Basis-Emitterstrecke des Transistors (102), die und die Kathode des Halb- leitergleichrichterelementes (101)und den an die zweite Klemme (16) angeschlossenen Teil des Span- nungsteilers (107) enthält. 5. Verwendung nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass eine asymmetrisch leitende Einrich tung (220) als Blockierungseinrichtung zwischen die Basis des Halbleiterimpedanzelementes (102) und die dritte Anschlussklemme (17) geschaltet ist (Fig. 2).
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