DE1076256B - Anordnung zur Steuerung der Energieabgabe einer Wechsel-spannungsquelle an Verbraucher mit Hilfe von Transistoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Schalteinrichtungen mit Verwendung von Transistoren und insbesondere auf Schalteinrichtungen zur Verbindung einer einphasigen oder mehrphasigen Stromquelle mit einem Wechselstrommotor oder mit einem anderen einphasigen oder mehrphasigen Verbraucher.

Die im Gebrauch befindlichen elektromagnetisch betätigten Schalteinrichtungen zur Verbindung einer mehrphasigen Stromquelle mit einem starken Stromverbraucher sind sehr groß und teuer, haben zahlreiche mechanisch sich bewegende Teile, die eine ausgedehnte Wartung notwendig machen und erfordern einen verhältnismäßig großen Abstand zwischen den Teilen von entgegengesetzter Polarität wegen der starken Lichtbogenbildung an den Kontakten beim Unterbrechen des elektrischen Stromkreises. Das Auftreten eines Lichtbogens an den Kontakten hat außer dem Abbrände an diesen zur Folge, so daß ein häufiges Auswechseln dieser Teile notwendig wird.

Es ist bereits bekannt, einen Transistor als aktives Schaltelement für Wechselstrom zu verwenden. Bei dieser Betriebsweise des Transistors ist, wenn die Basiselektrode eines pnp-Flächentransistors gegenüber den beiden benachbarten Elektroden positiv ist, der Emitter-Kollektor-Strom dieses Transistors wirksam gesperrt, während der Emitter-Kollektor-Strom zur Sättigung getrieben wird, wenn dieBasiselektrode eine ausreichend negative Polarität gegenüber jeder der benachbarten Elektroden hat. In gleicher Weise ist, wenn ein npn-Flächentransistor mit einer gegenüber den beiden benachbarten Elektroden negativen Basiselektrode betrieben wird, der Emitter-Kollektor-Strom gesperrt, während, wenn die Basiselektrode ausreichend positiv gegenüber jeder der benachbarten Elektroden ist, der Emitter-Kollektor-Strom zur Sättigung getrieben wird. Eine solche Steuereinrichtung ist zwar im Betrieb zufriedenstellend, erfordert jedoch eine etwas komplizierte Schaltanordnung für die Steuerung der Wechselströme und bedingt zusätzlich entweder die Verwendung eines Transistors mit Symmetrieeigenschäften oder einer Vielzahl von Transistoren, die so angeordnet sind, daß sie eine symmetrische Steuerungscharakteristik ergeben. Solche Transistoren können wegen der Sorgfalt, die bei ihrer Herstellung für das Erzielen geeigneter Betriebskennwerte aufgewendet werden muß, verhältnismäßig teuer sein.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls eine Anordnung zur Steuerung der Energieabgabe einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsquelle an einen Verbraucher mit Hilfe von Transistoren. Die Erfindung besteht darin, daß in jeder Zuleitung zum Verbraucher die Parallelschaltung aus einem Gleichrichter und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors angeordnet ist, wobei die Sperrichtung des Anordnung zur Steuerung

der Energieabgabe einer Wechsel-

spannungsquelle an Verbraucher

mit Hilfe von Transistoren

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. August 1954

Ralph B. Immel, Williamsville, N. Y.,

und Walter B. Guggi, Buffalo, N. Y. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

Gleichrichters bei Verwendung von p-n-p-Transistoren (n-p-n-Transistoren) mit der Richtung Emitter—Kollektor (Kollektor—Emitter) des Transistors übereinstimmt. Die Erfindung ermöglicht es, für die Steuerung eines Wechselstromes in einer einfachen Schaltungsanordnung die üblichen, verhältnismäßig billigen unsymmetrischen Transistoren zu verwenden, da diese Transistoren jeweils nur den Strom einer Richtung zu steuern haben, während für den Stromfluß in der anderen Richtung jeweils ein parallel zum Transistor liegender Einweg-Gleichrichter vorhanden ist. Der Stromfluß durch die Transistorelemente wird durch wechselweises Anlegen von Spannungsquellen entgegengesetzter Polarität zwischen der Basiselektrode und einer benachbarten Elektrode jedes der Transistoren gesteuert. Hierfür ist ein einfacher mehrpoliger Wechselschalter oder ein Relais mit sehr geringem Steuerleistungsbedarf geeignet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese in Verbindung mit der Zeichnung an Hand einer beispielsweisen Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Motorregeleinrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 2A und 2 B Arten von Halbleitervorrichtungen,

909 757/211

die zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung besonders geeignet sind.

Fig. 1 zeigt einen Drehstromgenerator 1 mit Außenleitungsklemmen 3, 5 und 9, die zur Verbindung mit einem Drehstrommotor 81 bestimmt sind, der Phasenklemmen 83., 87 und 89 besitzt. Obwohl die Motorwicklungen im Stern geschaltet dargestellt sind, können diese entweder im Stern oder im Dreieck geschaltet sein. Zwischen den Klemmen 3 und 83 ist ein pnp-Flächentransistor 41 geschaltet, der mit einer Emitterelektrode 45 mit der Generatorklemme 3 und mit einer Kollektorelektrode47 mit der Motorklemme 83 verbunden sind. Parallel zum Emitter-Kollektor-Stromkreis des Transistors ist ein Einweggleichrichter 49 geschaltet, der so gepolt ist, daß er Strom von der Motorklemme 83 zur Generatorklemme 3 leitet. Dieser Gleichrichter kann zweckmäßig ein Selen-, Germanium- oder ein Silicium-Trockengleichrichter sein, dessen Kapazität für das Führen des stärksten Phasenstroms, der vom Motor unter Vollast aufgenommen wird, ausreichend bemessen ist.

In ähnlicher Weise sind zwischen den Klemmen 5 und 87 sowie zwischen den Klemmen 9 und 89 in Parallelschaltung ein Transistor 53 und ein Gleichrichter 63 bzw. ein Transistor 69 und ein Gleichrichter 79 angeordnet.

Zur Steuerung des Stromflusses durch den Transistor 41 werden wechselweise Spannungsquellen 11 und 13 zwischen dem Emitter 45 und der Basis 43 mit Hilfe des Schaltelements 26 eines Relais 24 geschaltet. Die negative Klemme der Spannungsquelle 11 ist mit der Basis 43 über den Kontakt 25 des Schaltelements 26 verbunden, während die positive Klemme der Spannungsquelle 13 mit der Basis über den Kontakt 29 verbunden ist. Die positive Klemme der Spannungsquelle 11 und die negative Klemme der Spannungsquelle 13 sind mit der Emitterelektrode 45 verbunden. DieSpannungsquellen 11 und 13 können Batterien oder andere geeignete Gleichspannungsquellen sein. In ähnlicher Weise sind die negative Klemme der Spannungsquelle 15 und die positive Klemme der Sp annungs quelle 19 mit der Basiselektrode 57 des Transistors 53 über den Kontakt 31 bzw. 33 des Schaltelements 32 verbunden. Die negative Klemme der Spannungsquelle 21 und die positive Klemme der Spannungsquelle 23 sind ferner mit der Basiselektrode 71 des Transistors 69 über den Kontakt 35 bzw. 37 des Schaltelements 36 verbunden.

Zwischen den Basiselektroden der Transistoren 41, 53und69 und dem jeweiligen Schaltelement26,32 und 36 sind bleibend Schutzwiderstände 39, 51 und 65 so geschaltet, daß sie sich stets mit einer der Spannungsquellen in Reihenschaltung befinden. Die Aufgabe dieser Schutzwiderstände besteht darin, zu verhindern, daß der Emitter-Basis-Strom so stark wird, daß die Transistoren zerstört werden.

Die Schaltelemente 26, 32 und 36 sind mechanisch miteinander verbunden und werden durch ein Solenoid 22 betätigt, so daß die Kontakte 25, 31 und 35 gleichzeitig geschlossen werden, wenn das Solenoid erregt wird und die Kontakte 29, 33 und 37 geschlossen werden, wenn das Solenoid stromlos wird. Die Erregung bzw. Außerbetriebsetzung des Solenoids kann durch eine in Reihe dazugeschaltete Stromquelle und durch einen von Hand betätigbaren Schalter oder durch andere Mittel an sich bekannter Art geschehen.

Die Ausgangsspannungen der Spannungsquellen 13, 19 und 23 sind so gewählt, daß sie ausreichend sind, die Basiselektrodenspannung jedes der zugeordneten Transistoren gegenüber beiden benachbarten Elektroden auf einen positiven Wert zu bringen. In gleicher Weise müssen die Ausgangsspannungen der Spannungsquellen 11, 15 und 21 ausreichend sein, den Emitter-Kollektor-Strom auf einen Sättigungszustand zu bringen, so daß eine weitere Änderung in der Emitter-Basis-Spannung den Emitter-Kollektor-Strom nicht wesentlich beeinflußt.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise sei angenommen, daß das Solenoid 22 zunächst stromlos ist. Unter dieser Bedingung ist der Fluß des Emitter-Kollektor-Stroms durch jeden der Transistoren gesperrt. Da die verschiedenen Gleichrichter 49, 63 und 79 so gepolt sind, daß sie einem Stromfluß vom Generator 1 zum Motor 81 entgegenwirken, ist der Motor vom Generator elektrisch abgeschaltet. Wenn das Solenoid 22 erregt wird, fließt Strom durch jeden der Transistoren, wenn die Leitung, in welcher er sich befindet, eine positive Spannung gegenüber einer oder beiden der anderen Leitungen aufweist. Wenn angenommen die Klemme 9 gegenüber den beiden anderen Klemmen 5 und 3 positiv ist, fließt Strom durch den Transistor 69 und über die Gleichrichter 49 und 63 entsprechend den zwischen den Ausgangsklemmen des Generators bestehenden Augenblicksspannungen zurück. In ähnlicher Weise fließt, wenn die Klemme 5 positiv gegenüber den beiden anderen Klemmen ist, Strom vom Generator zum Motor über die Transistoren und zurück über die Gleichrichter, welche sich in den anderen Phasenzweigen befinden, die gegenüber der Klemme 5 ein negatives Potential haben. Das gleiche trifft zu, wenn die Klemme 3 gegenüber den Klemmen 5 und 9 positiv ist. Die hierdurch hervorgerufene Drehung des Motors dauert so lange an, bis das Solenoid 22 nachfolgend entregt wird. Durch das Entregen des Solenoids wird der Motor wieder vom Generator abgeschaltet, wobei jedoch keine störende Lichtbogenbildung auftritt, da in der Stromleitung zwischen Motor und Generator keine mechanische Verbindung unterbrochen wird.

Zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung besonders geeignete Arten von Halbleitervorrichtungen sind in Fig. 2A und 2 B dargestellt. Wie in der Zeichnung gezeigt, sind bei diesen Vorrichtungen vier Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp verwendet, die wechselweise angeordnet zu einem Halbleitergebilde vereinigt sind. Wenn gewünscht, kann ein einziges dieses Gebilde umgebendes Schutzgehäuse vorgesehen sein.

Wie in Fig. 2A dargestellt, kann für die Halbleitervorrichtung ein Einkristall aus Germanium mit zwei Zonen 103 und 107 vom n-Leitfähigkeitstyp und einer zwischen diesen befindlichen Zone 101 vom p-Leitfähigkeitstyp verwendet werden. Dieser Kristall kann durch den »grown junction process« gebildet werden, welcher von Coblenz und Owens in ihrem Aufsatz »Operation of Junction Transistor« in der Zeitschrift Electronics vom August 1953 auf Seite 156 beschrieben worden ist. An der Oberfläche der Zone oder Elektrode 103 wurde eine zweite p-leitende Zone 105 durch das von Coblenz und Owens in dem gleichen Aufsatz auf Seite 158 beschriebene Diffusions- oder Legierungsverfahren gebildet.

Die p-leitende Zone 101 dient sowohl als Emitter für einen Transistor mit den Elektroden 101, 103 und 105 als auch als Anode für einen die Zonen 101 und 107 umfassenden Gleichrichter, wobei die Zone 107 die Kathode des Gleichrichters bildet. Die Zone 103 bildet die Basis des Transistorabschnitts der Vorrichtung und in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung die Steuerelektrode der Transistorschalter. In ähnlicher Weise dient die Elektrode

105 als Kollektor für die Transistoren. Die Schaltanordnung für die Vorrichtung ist für eine der Übertragungsleitungen zwischen dem Generator und dem Motor der in Fig. 1 dargestellten Schaltanordnung in Fig. 2A dargestellt, in welcher gleiche Bezugsziffern sich auf gleiche Schaltelemente beziehen. Wie gezeigt, ist die Emitter-Kathode-Elektrode 101 mit der Generatorklemme 3 verbunden, während sowohl die Kollektorelektrode 105 als auch die Anodenelektrode 107 mit der Motorklemme 83 verbunden sind. Die Basiselektrode 103 ist mit der Elektrode 101 über den Schutzwiderstand 39, den Schalter 26 und die Gleichspannungsquellen 11 und 13 in der gleichen Weise verbunden, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben.

Die in Fig. 2B dargestellte Halbleitervorrichtung umfaßt zwei Germaniumkristalle 203 und 207 vom n-Leitfähigkeitstyp und zwei Indiumkügelchen 201 und 205. Das Kügelchen201 ist mit den beiden Kristallen 203 und 207 zur Bildung von p-leitenden Zonen in diesen verschmolzen, wie durch Coblenz und Owens beschrieben, wobei sorgfältig darauf geachtet ist, einen körperlichen Kontakt zwischen den Germaniumkristallen zu vermeiden. Das Kügelchen 205 ist nur mit dem Kristall 203 verschmolzen. Das Kügelchen 201 dient sowohl als Emitter für einen Transistor, der ferner die Basiselektrode 203 und die Kollektorelektrode 205 umfaßt, als auch als Anode eines Gleichrichters, dessen Kathode durch den Kristall 207 gebildet wird. Diese Vorrichtung kann in der in Fig. 1 gezeigten Schaltanordnung in der gleichen Weise geschaltet sein, wie in Verbindung mit der in Fig. 2 A dargestellten Halbleitervorrichtung beschrieben.

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß, obwohl die Anordnung besonders in Verbindung mit der Leistungsregelung für einen Wechselstrommotor beschrieben ist, ihre Verwendung auch mit anderen Belastungen sowohl ohmscher als auch reaktiver Art geeignet ist.

Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß durch die Erfindung eine verhältnismäßig einfache lichtbogenfreie Schalteinrichtung zur Verbindung eines einphasigen oder mehrphasigen Generators mit einem einphasigen oder mehrphasigen Verbraucher geschaffen wurde. Da die Transistoren und Gleichrichter an sich von kleiner Bauart sind und das den Stromfluß durch die Transistoren steuernde Relais nicht groß zu sein braucht, da es nur sehr schwache Ströme zu unterbrechen braucht, hat die gesamte Schaltanordnung nur einen sehr geringen Raumbedarf. Die Schaltanordnung ist ferner sehr einfach und eignet sich zur Verwendung von Transistoren mit unkritischen Betriebskennwerten. Es wurde festgestellt, daß Transistoren, welche für den Betrieb in Klasse A als unbefriedigend zurückgewiesen worden sind, zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung zufriedenstellend sind.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung der Energieabgabe einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannungsquelle an einen Verbraucher mit Hilfe von Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Zuleitung zum Verbraucher die Parallelschaltung aus einem Gleichrichter und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors angeordnet ist, wobei die Sperrichtung des Gleichrichters bei Verwendung von p-n-p-Transistoren (n-p-n-Transistoren) mit der Richtung Emitter—Kollektor (Kollektor—Emitter) des Transistors übereinstimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Transistor das Potential der Basiselektrode gegenüber den Potentialen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode derart steuerbar ist, daß bei Verwendung von p-n-p-Transistoren (n-p-n-Transistoren) die Basiselektrode entweder gegenüber jeder der beiden anderen Elektroden ein positives (negatives) Potential oder gegenüber mindestens einer der anderen Elektroden ein negatives (positives) Potential erhält, so daß die Leitfähigkeit der Emitter-Kollektor-Strecke entweder gesperrt ist oder ihrem Sättigungszustand entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Basispotentials für alle Transistoren gemeinsam durch Anlegen von Quellen verschiedener Spannung mittels eines mehrpoligen Relais erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichter solche mit p-n-Übergang verwendet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Parallelschaltung Gleichrichter und Transistor in einem einheitlichen Körper mit vier Schichten, die abwechselnd p- und η-Leitfähigkeit aufweisen, vereinigt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung der Speisung von ein- oder mehrphasigen Wechselstrommotoren.

In Betracht gezogene Druckschriften:
E u M, 71 (1954), S. 393;
Bell Syst. Tech. J. (1951), S. 533;
Proc. IRE (1952), S. 1508.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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