DE1061830B - Verstaerker mit zwei starkleitenden Halbleiterdioden (Schaltdioden) - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 21a² 18/08

INTERNAT. KL. H 03 f

PATENTAMT

W23700VIIIa/21a²

ANMELDETAG: 15.JULI1958

B EKANNTMACHUNG
DEK ANMELDUNG
UND AUSGABE DEE
AUSLEGESCHKIFT: 23. JULI 1959

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 5 Überschreiten einer bestimmten Größe des Stromes und der Spannung in Sperrichtung plötzlich der Sperrwiderstand, so daß auch bei Verringerung der Spannung auf einen kleineren Wert ein Strom fließen kann, solange der Strom über einem bestimmten Schwellwert liegt und eine Spannung vorhanden ist. Bei Überschreiten 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 Durchbruchcharakteristik 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 z5 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 Aufschmelzen, 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 mitbestimmt. Die Metallmasse kann elektrisch neutral sein oder dieselben Verunreinigungszusätze wie die zweite Basis haben.

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

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. τ. Amerika, vom 21. Oktober 1957

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

3 Stromeinheiten (Ampere) auftritt. Wenn die Spannung an der Diode 50 umgepolt wird, so tritt bis zu einer Spannung in Sperrichtung von beispielsweise 55 Spannungseinheiten (Volt) praktisch kein Strom in Sperrichtung auf. Bei Überschreiten der genannten Durchbruchsspannung wird die Diode plötzlich in der Sperrichtung 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 Stromanstieg in Sperrrichtung 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 Sperrrichtung wieder den vorherigen Sperrwiderstand an. Die Veränderung des Widerstandswertes der Diode in Sperrichtung kann beliebig oft wiederholt werden durch passende Steuerung der Größe des Stromes und der Spannung in Sperrichtung.

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Verstärker mit solchen Dioden und mit entsprechenden Last- und Steuerstromkreisen. Die Erfindung besteht darin, daß der eine speisende Wechselspannungsquelle enthaltende Laststromkreis mindestens zwei je eine Halbwelle im gesperrten Zustand unterdrückende starkleitende Halbleiterdioden enthält, denen jeweils ein eigener Steuerstromkreis zur Er-

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Claims (3)

zeugung einer die Durchbruchsspannung in Sperrrichtung der Dioden übersteigenden Spannung bei Auftreten eines Steuersignals zugeordnet ist und daß beide Steuerkreise synchron betrieben sind. Die Erfindung dient hauptsächlich zum Speisen einer kapazitiven oder mit großem Widerstand versehene Last. Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Nach Fig. 1 ist die Primärwicklung 21 eines einen Kern 24 enthaltenden Transformators 20 an zwei Klemmen 10 und 11 angeschlossen, denen ein Wechselsteuersignal zugeführt wird. Der Transformator 20 besitzt zwei Sekundärwicklungen 22 und 23, die gleich aufgebaute Schaltungsanordnungen mit je einer starkleitenden Halbleiterdiode (Schaltdiode) 35 und 45 speisen. An die Wicklung 22 ist ein Stromkreis 30 angeschlossen, der aus der Reihenschaltung eines Gleichrichters 31 mit einem Strombegrenzungswiderstand 34, der Diode 35 und einem Sperrgleichrichter 36 besteht. Parallel zu der Reihenschaltung der Wicklung 22 und des Gleichrichters 31 ist eine Parallelschaltung angeordnet, die aus einem Widerstand 32 und einem Kondensator 33 besteht. Die Diode 35 hat die beiden Außenklemmen 66 und 68. An die Wicklung 23 ist ein entsprechend aufgebauter elektrischer Kreis 40 angeschlossen, der einen Gleichrichter 41, einen Strombegrenzungswiderstand 44, einen Sperrgleichrichter 46, einen Parallelwiderstand 42 und einen Parallelkondensator 43 sowie die Diode 45 enthält, deren Außenklemmen mit 67 und 69 bezeichnet sind. Die Schaltungselemente 31, 32 und 33 bzw. 41, 42 "und 43 stellen Gleichrichter- und Filtermittel für die Sekundärwechselspannung dar. Wenn die Spannung der Kondensatoren 33 bzw. 43 die Durchbruchs spannung der Dioden 35 bzw. 45 übersteigt, dann werden diese in Sperrichtung stromdurchlässig. Diese Stromdurchlässigkeit bleibt so lange aufrechterhalten, solange an den Klemmen 10 und 11 eine Wechselsteuergröße anliegt. . Die eine Klemme 61 einer Wechselspannungsspeisequelle für eine Last 70 ist über einen Sperrgleichrichter 63 mit der Klemme 66 und über einen Sperrgleichrichter 64 mit der Klemme 67 verbunden. Die Durchlaßrichtungen der Sperrgleichrichter 63 und 64 sind dabei in bezug auf den Laststromkreis jeweils den Durchlaßrichtungen der zugehörigen Dioden 35 und 45 entgegengesetzt gerichtet. Die Klemme 62 der Speisequelle ist mit der Last 70 unmittelbar verbunden, die ihrerseits mit den Klemmen 68 und 69 in Verbindung steht. Die Spannung der Speisequelle ist vorausgesetzt kleiner als die Durchbruchsspannung der Dioden. Solange an den Klemmen 10 und 11 kein Steuersignal auftritt, kann kein Strom die Last 70 durchfließen, da die Dioden 35 und 45 gesperrt sind und die Sperrgleichrichter 63, 64, 36 und 46 den Stromfluß unterbinden. Bei einem Wechselstromsignal an den Klemmen 10 und 11 tritt an den Kondensatoren 33 und 43 eine Gleichspannung auf. Sie erhält durch die Übersetzung des Transformators 20 eine solche Höhe, daß sie die Durchbruchsspannung der Dioden übersteigt, so daß diese in Sperrichtung leitend werden. Die Widerstände 34 bzw. 44 begrenzen die durch die Dioden fließenden, von den Kondensatorspannungen herrührenden Ströme. Diese Ströme bleiben so lange in einem zur Offenhaltung der Dioden ausreichenden Maße bestehen, solange das Wechselstromsignal an den Klemmen 10 und 11 anliegt. Wenn nun die Klemme 61 gegenüber der Klemme 62 positives Potential hat, dann kann die Speisespannung einen Strom über den Sperrgleichrichter 64, die geöffnete Diode 45 und die Last 70 treiben. Bei umgekehrter Polarität der Speisespannung fließt dagegen ein Strom über die Last 70, die geöffnete Diode 35 und den Sperrgleichrichter 63. Bei Verschwinden des Wechselstromsignales an ίο den Klemmen 10 und 11 sinkt die Kondensatorspannung auf Null und damit unter die Durchbruchsspannung der beiden Dioden. Die von den Kondensatorspannungen herrührenden Ströme über die Dioden gehen damit ebenfalls auf Null zurück. Wenn nun die von der Speisespannung herrührenden Ströme durch die Dioden unter den Schwellwert sinken, werden die Dioden gesperrt und verhindern einen weiteren Stromfluß durch die Last 70. Die Zeit, die nach Verschwinden des Wechselstromsignals an den Klemmen 10 und 11 zum Beendigen der Stromleitung für die Last 70 erforderlich ist, ist geringer als eine Halbwelle der Speisespannung. Eine Abänderung des Eingangstransformators 20 nach Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei enthält der Primärkreis des Transformators 20 einen Reihenkondensator 12 zur Primärwicklung 21 sowie einen Parallelwiderstand 13 zu dieser Reihenschaltung. Bei dieser Anordnung kann ein Eingangssignal verwendet werden, das aus einem Halbwellengleichstrom besteht, ohne daß der Magnetkern des Transformators 20 in positive Sättigung kommt Dadurch kann ein Ausbleiben der Sekundärspannung verhindert werden. Mit der Anordnung kann durch eine geringe Steuerspannung eine große Leistung gesteuert werden, wie dies insbesondere bei großen Schalteinrichtungen, Maschinen oder anderen induktiven, kapazitiven oder ohmschen Belastungen gewünscht wird. Der Verstärker nach der Erfindung besteht nur aus ruhenden Teilen. Er benötigt nur kleine und allgemein gebräuchliehe Bauelemente und besitzt eine Phasenunabhängigkeit vom Eingangssignal, d. h. vom Steuersignal. Patentansprüche:

1. Verstärker mit starkleitenden Halbleiterdioden (Schaltdioden) und mit einem Last- sowie einem Steuerstromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der eine speisende Wechselspannungsquelle enthaltende Laststromkreis mindestens zwei je eine Halbwelle im gesperrten Zustand unterdrückende Schaltdioden enthält, denen jeweils ein eigener Steuerstromkreis zur Erzeugung einer die Durchbruchsspannung in Sperrichtung der Dioden übersteigenden Spannung bei Auftreten eines Steuersignals zugeordnet ist, daß beide Steuerkreise synchron betrieben sind und daß die Speisespannung kleiner als die Durchbruchsspannung der Dioden bemessen ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laststromkreis in zwei parallele Teilkreise mit der gemeinsamen Last (70) und Wechselspannungsquelle (61, 62) unterteilt ist und in jedem Teilkreis eine Diode (35, 45) sowie ein Sperrgleichrichter (63, 64) mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung derart angeordnet sind, daß im geöffneten Zustand der Dioden die eine Halbwelle der Wechselspannung den einen Teilkreis, die andere Halbwelle den anderen Teilkreis durchfließt (Fig. 1).

3. Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal der