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Elektrisches Halbleitergerät zur Leistungsmessung bei Schaltvorgängen
Zur Bestimmung des Verlaufs der Verlustleistung und der Verlustenergie bei Schaltvorgängen
sind verschiedene Verfahren bekannt. Im wesentlichen bestehen diese darin, daß der
während des Schaltvorganges durch den »Schalter« fließende Strom und der an ihm
dabei auftretende Spannungsabfall getrennt, z. B. oszillographisch, aufgenommen
wird. Die dabei gewonnenen beiden zeitabhängigen Kurven J (t) und U (t) werden dann
miteinander multipliziert und die Produktkurve U (t) J (t) ausplanimetriert. Dieser
dadurch gewonnene Wert f U (t) . J (t) . dt stellt die beim Schaltvorgang benötigte
Verlustenergie dar, während die Kurve selbst dem Leistungsverlauf entspricht.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Halbleitergerät zur
Messung des Verlaufs der Verlustleistung und der Verlustenergie bei Schaltvorgängen.
Erfindungsgemäß ist als Meßgrößenumformer ein Hallgenerator verwendet, dessen Halbleiterkörper
eine Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2/Vsec oder mehr aufweist und vorzugsweise aus
einer halbleitenden Verbindung von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium
mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon besteht, und es ist
der Hallgenerator elektrisch durch den Spannungsabfall am »Schalter« und magnetisch
durch einen Elektromagneten, dessen Spule im Stromkreis des »Schalters« liegt, erregt.
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Bei schnellen Schaltvorgängen ist die Hallspannung auf ein ballistisches
Galvanometer zur Anzeige der Verlustenergie und auf einen Oszillographen zur Anzeige
des Verlaufs der Verlustleistung geschaltet. Bei langsamen Schaltvorgängen ist z.
B. an Stelle des ballistischen Galvanometers eine elektrische Integrationsvorrichtung
und an Stelle des Oszillographen ein Kurvenschreiber, beide in einer der bekannten
Ausführungen, vorgesehen. Es ist zweckmäßig, zur Messung des Verlaufs der Verlustleistung
und der Verlustenergie je einen Hallgenerator zu verwenden.
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Einrichtungen zur Leistungsmessung, die auf der Ausnutzung des Halleffektes
beruhen und bei denen Halbleiterkörper, wie Germanium, verwendet sind, sind bereits
bekanntgeworden. Bei diesen Anordnungen ist jedoch die Hallspannung über Galvanometergrößen
hinausgehend nicht belastbar, so daß die Hallspannung nicht auf die oben angegebenen
leistungsaufnehmenden Meßgeräte geschaltet werden kann.
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Der Vorteil der Erfindung gegenüber den eingangs erwähnten bekannten
Methoden liegt in der durch sie erreichten wesentlichen Vereinfachung des Meßverfahrens.
Ihr Verwendungsbereich erstreckt sich auf Schaltvorgänge im allgemeinsten Sinne.
Hierzu gehört z. B. auch der Abbrand einer Sicherung.
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Die prinzipielle Anordnung der Erfindung ist in einem Beispiel in
der Zeichnung dargestellt; es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild des Halbleitergerätes
gemäß der Erfindung, Fig. 2 ein Beispiel für die Anordnung des Elektromagneten für
die magnetische Erregung des Hallgenerators.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein »Schalter« bezeichnet, bei dem der Verlauf
der Verlustleistung und der Verlustenergie beim Schaltvorgang gemessen werden soll.
Es kann sich z. B. um eine Sicherung handeln, bei der die beiden Größen beim Abbrand
bestimmt werden sollen. Mit 2 ist der Nutzwiderstand des Stromkreises, mit 3 die
Stromquelle und mit 4 ein Schalter bezeichnet. In diesem Stromkreis liegt der »Schalter«
1 in Serie mit der Erregerwicklung 5 des Elektromagneten, der zur magnetischen Erregung
der beiden Halbleiterkörper 6 und 7 dient. Die verwendeten Halbleitermaterialien
weisen eine Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2/Vsec oder mehr auf. Vorzugsweise werden
halbleitende Verbindungen von einem der Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium
mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon verwendet. Der Wirkungsbereich
des Magnetfeldes ist durch die mit 8 bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet.
Die beiden Halbleiterkörper 6 und 7 liegen primärstrommäßig parallel zum Schalter
1, d. h., der Spannungsabfall am Schalter 1 ergibt die Spannungsquelle für die elektrische
Erregung der beiden hintereinandergeschalteten Halbleiterkörper.
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9 ist ein einstellbarer Widerstand zur Regulierung des Primärstromes
durch die Halbleiterkörper. Die Hallelektroden des Halbleiterkörpers 6 sind mit
der Schleife 10 eines Oszillographen und diejenigen des Halbleiterkörpers 7 mit
einem ballistischen Galvanometer oder einem Fluxmeter 11 verbunden. Die Wirkungsweise
der Anordnung ist die folgende: Die an einem Halbleiterkörper
auftretende
Hallspannung ist bekanntlich proportional dem auf ihn einwirkenden Magnetfeld und
dem durch ihn fließenden Primärstrom, bei der beschriebenen Anordnung also proportional
dem Produkt aus dem Spannungsabfall am Schalter 1 und dem durch ihn fließenden Strom,
also proportional der Verlustleistung am Schalter 1. Die mit 10 während des Schaltvorgangs,
z. B. während des Sicherungsdurchbrandes, aufgenommene Kurve ergibt somit den Verlauf
der Verlustleistung, das ballistische Galvanometer oder das Fluxmeter zeigt direkt
den Wert Je Ug dt an und somit, wie vorher ausgeführt, das Integral f U (t) I I
(t) d'tl, d. h. die beim Schaltvorgang verbrauchte gesamte Verlustenergie.
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Bei langsam verlaufenden Schaltvorgängen kann als Gerät 11 z. B.
eine elektrische Integrationseinrichtung und als Gerät 10 z. B. ein Kurvenschreiber,
beide Geräte in einer der zahlreich bekannten Ausführungsformen, verwendet werden.
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Bei der Verwendung von derartigen Anzeigegeräten, insbesondere bei
Kurvenschreibern und Integrationseinrichtungen, die im Verhältnis zu dem zunächst
vorgesehenen Galvanometer bzw. Oszillographen eine verhältnismäßig hohe Eingangsleistung
benötigen, wird von der Eigenschaft bereits vorgeschlagener Hallgeneratoren Gebrauch
gemacht, daß sie leistungsmäßig belastet werden können. Damit stehen - gegebenenfalls
unter Zwischenschaltung von leistungsaufnehmenden Verstärkern, wie z. B. Magnetverstärkern
- die für die genannten Anzeigevorrichtungen benötigten Eingangsleistungen zur Verfügung.
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Fig. 2 zeigt eine besonders günstige Ausführungsform und Anordnung
des Erregermagneten der Halbleiterkörper. Der Eisenkörper 15 des Elektromagneten
zur Erregung der Hallgeneratoren ist über eine Stromzuführungsschiene 16, die in
diesem Falle die Rolle der Erregerspule einnimmt, geschoben. Die Halbleiterkörper
werden im Luftspalt 17 angeordnet. Hierdurch wird auch bei nicht sehr großen Stromstärken
eine ausreichende magnetische Erregung der Hallgeneratoren erreicht.
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Grundsätzlich ist bei der vorbeschriebenen Anordnung
auch mit einem
Halbleiterkörper auszukommen. Die Anordnung zweier Halbleiterkörper ist jedoch aus
leistungsmäßigen Gründen zweckmäßig.
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PATENTANSPROCRE: 1. Elektrisches Halbleitergerät zur Messung des
Verlaufs der Verlustleistung und der Verlust energie bei Schaltvorgängen, dadurch
gekennzeichnet, daß als Meßgrößenumformer ein Hallgenerator verwendet ist, dessen
Halbleiterkörper eine Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2i'Vsec oder mehr aufweist
und vorzugsweise aus einer halbleitenden Verbindung von einem der Elemente Bor,
Aluminium, Gallium, Indium mit einem der Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon
besteht, und daß der Hallgenerator elektrisch durch den Spannungsabfall am »Schalter
und magnetisch durch einen Elektromagneten, dessen Spule im Stromkreis des ^Schalters
liegt, erregt ist.