DE1061829B - Verstaerker mit einer starkleitenden Halbleiterdiode (Schaltdiode) - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker unter Verwendung starkleitender Halbleiterdioden (Schaltdioden), d.h. Dioden, die im Sperrbereich ein Gebiet negativen Widerstandes aufweisen. Bei solchen an sich bekannten Dioden verschwindet nämlich bei Überschreiten einer bestimmten Größe des Stromes und der Spannung in Sperrichtung plötzlich der Sperrwider-Stand, so daß auch bei Verringerung der Spannung auf einen kleineren Wert ein Strom in Sperrichtung fließen kann, solange der Strom über einen bestimmten Schwellwert liegt und eine Spannung vorhanden ist. Bei Unterschreiten dieses Schwellwertes oder Fortfall der Spannung in Sperrichtung wird die Diode wieder gesperrt für den Strom in Sperrichtung. Diese Wirkungsweise hat nichts mit dem Zener- oder dem Avalanche-Effekt zu tun. Das vorgenannte Betriebsverhalten der sogenannten Schaltdiode kann beliebig oft erreicht werden.

Solche Halbleiterdioden mit steuerbarer Durchbruchscharakteristik sind bereits vorgeschlagen worden und enthalten z. B. eine erste Basis aus einem halbleitenden Element, das zur Erzeugung eines N- oder P-Halbleitertyps mit entsprechenden Verunreinigungen versetzt ist. Auf dieser ersten Basis ist ein Emitter aufgebracht, der aus halbleitendem Material von jeweils entgegengesetztem Halbleitertyp besteht. Der Emitter kann aus der Legierung einer mit Verunreinigungen versetzten Pille mit einem Plättchen vom gleichen halbleitenden Material wie die erste Basis bestehen. Der Anschluß an den Emitter erfolgt an der Zone zwischen der ersten Basis und dem Emitter. Zum leichten Anschluß der Diode an einen elektrischen Stromkreis ist vorzugsweise eine Schicht aus Silber oder anderem gut leitendem Material mit der Oberfläche des Emitters durch Anschmelzen, Legieren oder Löten in innige Verbindung gebracht. Kupferdrähte können dann beispielsweise leicht mit dieser Schicht verlötet werden. Eine zweite Basis von entgegengesetztem Halbleitertyp schließt sich an die erste Basis an. Die Berührungszone zwischen der ersten und zweiten Basis bildet die Kollektorverbindung. Unmittelbar auf die zweite Basis ist eine Metallmasse aufgeschmolzen, gelötet, legiert oder sonstwie fest aufgebracht, die als Trägerquelle dient und wesentlich das Betriebsverhalten der Diode mit bestimmt. Die Metallmasse kann elektrisch neutral sein oder dieselben Verunreinigungssätze wie die zweite Basis haben.

Die Stromspannungscharakteristik einer solchen Diode ist in Fig. 6 dargestellt. Im ersten Quadranten steigt der Strom bei Erreichen einer bestimmten Spannung in Durchlaßrichtung plötzlich steil an, so daß bei einer Spannung von beispielsweise 1 Spannungseinheit (Volt) ein Strom von annähernd 3 Strom- Verstärker mit einer starkleitenden
Halbleiterdiode (Schaltdiode)

Anmelder:

Westinghou.se Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
•Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. September 1957

Edward A. Petrocelli, Glenshaw, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

einheiten (Ampere) auftritt. Wenn die Spannung an der Diode umgepolt wird, so tritt bis zu einer Spannung in Sperrichtung von beispielsweise 55 Spannungseinheiten (Volt) praktisch kein Strom in Sperrrichtung auf. Bei Überschreiten der genannten Durchbruchsspannung wird die Diode plötzlich in der Sperrrichtung leitend, und die Spannung fällt annähernd auf 1 Spannungseinheit ab, wie dies im dritten Quadranten gestrichelt dargestellt ist. So wird also die Diode plötzlich leitend und weist nur mehr einen geringen ohmschen Widerstand in Sperrichtung auf, der einen plötzlichen Stromansteig in Sperrichtung auf mehrere Stromeinheiten zuläßt. Es ist dabei nur eine geringe Energie zur Aufrechterhaltung der großen Leitfähigkeit in Sperrichtung notwendig. Durch Verminderung des Stromes unter einen bestimmten Schwellwert bei einer Spannung unterhalb der Durchbruchsspannung nimmt die Diode in Sperrichtung wieder den vorherigen hohen Sperrwiderstand an. Die Veränderung des Widerstandswertes der Diode in Sperrichtung kann beliebig oft wiederholt werden durch passende Steuerung der Große des Stromes und der Spannung in Sperrichtung.

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Verstärker mit einer solchen Diode und mit einem Steuerstromkreis sowie einem Laststromkreis. Die Erfindung besteht darin, daß beiden Stromkreisen die starkleitende Halbleiterdiode gemeinsam ist, daß im Laststromkreis mindestens ein in Durchlaßrichtung der Diode sperrender Gleichrichter vorgesehen und die angelegte Wechselspannung kleiner als die Durchbruchs-

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spannung der Diode gewählt ist und daß die Steuer- . Last 60. treiben, solange die Klemme 81 positiv gegen-

größe über Übersetzungs-, Gleichrichter- und Glät- über der Klemme 80 ist. Während der anderen HaIb-

tungsmittel mindestens einem Speicherglied derart welle verhindert der Sperrgleichrichter 70 einen

zugeführt ist, daß die die Durchbruchsspannung· über- Stromfluß durch die Last 60.

steigende Steuerspannung in Sperrichtung an die 5 In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der

Diode angelegt ist. Durch die Erfindung wird ein Ver- Verstärkeranordnung nach der Erfindung dargestellt,

stärker geschaffen, der lediglich aus ruhenden Mitteln wobei die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile gleiche

aufgebaut ist und der zur Erzielung einer Gleich- Bezugszeichen aufweisen. Der Unterschied zwischen

Stromverstärkung bei niederer Spannung und kleinen den beiden Anordnungen besteht darin, daß in der

Signalgrößen dient. . io Anordnung nach Fig. 2 ein zusätzliches Filter 45 vor-

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand gesehen ist, das aus einem Serienwiderstand 43 und der in der Zeichnung dargestellten Ausführungs- einem Parallelkondensator 44 besteht. Der Serienbeispiele näher erläutert. Hierbei sind bei den ver- widerstand 43 ist dem Gleichrichter 41 vorgeschaltet, wendeten Transformatoren die Stellen gleicher Augen- und der Parallelkondensator 44 ist einerseits an die blickspolarität im Primär- und Sekundärkreis durch 15 Klemme 52 und andererseits an die Verbindung Punkte gekennzeichnet. zwischen dem Gleichrichter 41 und dem Widerstand 43

Gemäß Fig. 1 wird eine die Last 60 speisende angeschlossen. Die Wirkungsweise der Anordnung

Wechselspannung bzw. ein Wechselstrom den Klem- nach Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie bei der

men 81 und 82 zugeführt. Die Klemme 81 ist hierzu nach Fig. 1, nur mit dem Unterschied, daß durch die

über einen Sperrgleichrichter 70 und die Last 60 mit 20 Hinzufügung des Filters 45 an der Diode 50 eine säge-

der Klemme 51 einer starkleitenden Halbleiterdiode zahnförmige Steuerspannung auftritt. Da die Diode 50

(Schaltdiode) 50 verbunden, während die Klemme 82 mit der Frequenz der sägezahnförmigen Spannung

unmittelbar mit der geerdeten zweiten Klemme 52 der öffnet, kann das Steuersignal im vorliegenden Fall

Diode 50 in leitender Verbindung steht. Die Durch- energieschwächer sein als im Ausführungsbeispiel nach

laßrichtungen der Diode 50 und des Gleichrichters 70 25 Fig. 1.

sind, bezogen auf den Laststromkreis, einander ent- In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des gegengesetzt gerichtet. Der Scheitelwert der den Verstärkers nach der Erfindung dargestellt. Gleiche Klemmen 81 und 82 zugeführten Speisespannung ist Teile wie in den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 haben kleiner als die Durchbruchsspannung der Diode 50, so wiederumübereinstimmendeBezugszeichen. Derhauptdaß die Speisespannung kein öffnen, der Diode her- 30 sächliche Unterschied gegenüber den Anordnungen vorrufen kann. Das Steuersignal für die Änderung nach Fig. 1 und 2 besteht darin, daß den Klemmen 81 der Leitfähigkeit der Diode 50 wird den Eingangs- und 82 ein Transformator 90 mit einem Kern 91, einer klemmen 10 und 11 der Primärwicklung 22 eines Primärwicklung 93 und einer Sekundärwicklung 92 Transformators 20 zugeführt, auf dessen Kern 21 die vorgeschaltet ist. Die speisende Wechselspannung wird Sekundärwicklung 23 angeordnet ist. Die Sekundär- 35 den Klemmen 100 und 101 der Primärwicklung 93 zuwicklung 23 ist über die Gleichrichter- und Filter- geführt. Die Sekundärwicklung 92 hat eine Mitteleinrichtung 30 und nachfolgend noch erläuterte wei- punktanzapfung, die mit Erde verbunden ist. Bei dieser tere Schaltungselemente mit den Klemmen 51 und 52 Schaltung fällt die unmittelbare Verbindung zwischen der Diode 50 verbunden. Dabei ist die Klemme 52 mit den Klemmen 82 und 52 fort. Dafür ist die Klemme dem einen Ende der Sekundärwicklung 23 unmittelbar 40 82 über einen Sperrgleichrichter 71 mit der Last 60 leitend verbunden, während die Klemme 51 mit dem verbunden. Bezogen auf die Last 60¹, haben die Sperr-.anderen Ende der Sekundärwicklung 23 durch die gleichrichter 70 und 71 gleiche Durchlaßrichtung. Die Reihenschaltung zweier Gleichrichter 31 und 41 sowie Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 entspricht .eines Strombegrenzungswiderstandes 42 verbunden im wesentlichen der der vorgenannten Anordnungen ist. Ferner ist zwischen der Klemme 52 und den beiden 45 mit dem Unterschied, daß durch die Mittelpunkts-Gleichrichtern 31 und 41 noch die Parallelschaltung anzapfung und Rückleitung über Erde zur Klemme 52 eines Widerstandes 32 mit einem Kondensator 33 an- sowie durch Anordnung des zusätzlichen Gleichgeordnet. Die Teile 31, 32 und 33 bilden die Gleich- richters 71 die Last 60 in beiden Halbwellen der richter- und Filtereinrichtung 30. Die Durchlaßrich- Speisespannung von einem pulsierenden Gleichstrom •tungen der Gleichrichter 31 und 41 einerseits und der 50 durchflossen wird, sobald die Diode 50 geöffnet ist. ■Diode 50 andererseits sind, bezogen auf den Steuer- Die Steuerung der Diode 50 geschieht wie im ersten .kreis, einander entgegengesetzt gerichtet. Ausführungsbeispiel.

Solange den Klemmen 10 und 11 kein Wechsel- In Fig. 4 ist eine Kombination der Anordnungen .steuersignal zugeführt wird, ist die Diode 50 gesperrt, nach Fig. 2 und 3 dargestellt, die beider Vorteile in so daß in beiden Halbwellen der Speisespannung kein 55 sich vereinigt. Diese Vorteile sind — wie bereits er-.Stromfluß über die Last 60 erfolgt, da in der einen wähnt — eine geringere Steuerenergie und eine VoIl-■Halbwelle die Diode 50 und in der anderen Halbwelle wellengleichstromspeisung der Last,
der Sperrgleichrichter 70 einen Stromfluß verhindert. Die Einrichtungen nach den Fig. 3 und 4 sind be-Eine kleine Steuerwechselspannung an den Eingangs- sonders vorteilhaft für den Fall, daß als Last eine klemmen 10 und 11 wird sekundärseitig vergrößert 60 Leuchtquelle benutzt ist. Der VoUwellengleichstrom und bei jeder positiven Halbwelle zur Aufladung des verhindert dann ein Flackern des Lichtes. Die Betäti-Kondensators 33 auf einen Spannungswert heran- gung der Leuchtquelle kann als Zeichen des Vorgezogen, der größer als die Durchbruchsspannung der handenseins bestimmter Betriebszustände dienen.
Diode 50 ist. Somit wird die Diode 50 geöffnet. Über Eine Abänderung des Eingangstransformators 20 •den Begrenzungswiderstand42 kann der Kondensator- 65 nach den Fig. 1 bis 4 ist in Fig. S dargestellt. Hierbei .strom durch die Diode 50 in solcher Größe fließen, daß enthält der Primärkreis des Transformators 20 einen .sie geöffnet bleibt, solange der Kondensator für die Reihenkondensator 12 zur Primärwicklung 22 sowie ■Dauer des Steuersignals geladen bleibt. Bei geöffneter einen Parallel widerstand 13 zu dieser Reihenschaltung. .Diode 50 kann die Speisespannung an den Klemmen Bei dieser Anordnung kann ein Eingangssignal ver-. 81 und 82 einen Halbwellengleichstrom durch die 70 wendet werden, das aus einem sich ändernden Gleich-

Claims (6)

strom oder einem Halbwellengleichstrom besteht, ohne daß der Magnetkern des Transformators 20 in positive ■Sättigung kommt. Dadurch kann ein Ausbleiben der Sekundärspannung verhindert werden. PaTENTAMSPRÜCHE:

1. Verstärker mit einer starkleitenden Halbleiterdiode (Schaltdiode) und mit einem Steuerstromkreis sowie einem Laststromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltdiode beiden Stromkreisen gemeinsam ist, daß im Laststromkreis mindestens ein in Durchlaßrichtung der Diode sperrender Gleichrichter vorgesehen und die angelegte Wechselspannung kleiner als die Durchbruchsspannung der Diode gewählt ist und daß die Steuergröße über Ubersetzungs-, Gleichrichterund Glättungsmittel mindestens einem Speicherglied derart zugeführt ist, daß die die Durchbruchsspannung übersteigende Steuerspannung in Sperrichtung an die Diode angelegt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Sekundärwicklung eines primärseitig von einer Steuerwechselgröße beaufschlagten Transformators (20) ein Gleichrichter (31) liegt, zu dem parallel die Parallelschaltung eines Widerstandes (32) mit einem Kondensator (33) angeordnet ist, und daß der Kondensator über einen der Sperrichtung der Diode (50) entgegengerichteten Sperrgleichrichter

(41) sowie einen Strombegrenzungswiderstand

(42) an die Diode angeschlossen ist (Fig. 1,3).

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Gleichrichtern (31 und 41) ein weiterer Widerstand (43) sowie parallel zum Kondensator (33) und diesem Widerstand (43) ein zweiter Kondensator angeordnet ist (Fig. 2, 4).

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Laststromkreis der Last (60) ein Sperrgleichrichter (70) in Reihe geschaltet ist (Fig. 1, 2).

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastwechselspannung einem Zwischentransformator (90) zugeführt ist, dessen Sekundärwicklung (92) über gleichgerichtete Sperrgleichrichter (70, 71) mit dem einen Anschluß der Last (60) verbunden sind, deren anderer Anschluß mit der Diode verbunden ist, und der Laststromkreis über die Diode und eine mit dieser verbundenen Mittelpunktsanzapfung der Sekundärwicklung (92) geschlossen ist (Fig. 3, 4).

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Primärseite des Steuerkreistransformators (20) ein Reihenkondensator (12) und parallel zur Reihenschaltung des Kondensators mit der Primärwicklung (22) ein Widerstand (13) vorgesehen ist (Fig. 5).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 919 303.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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