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Anordnung zur Steuerung einer Wechselstromleistung mittels Trinistoren
Gegenstand der Anmeldung ist eine Anordnung zur Steuerung der einem Wechselstromverbraucher
zugeführten Leistung. Als steuernde Elemente werden neuartige Halbleitergeräte angewendet,
die unter dem Namen Trinistoren bekanntgeworden sind. Es handelt sich hierbei um
transistorähnliche, dreischichtige Halbleiteranordnungen. Im Unterschied zu den
bekannten Transistoren ist an die dritte äußere p- oder n-Schicht eine Metallschicht
angeschlossen. Der Trinistor besitzt drei Anschlußelektroden, die im folgenden als
Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet werden.
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Die Wirkungsweise eines Trinistors wird an Hand der in Fig. 2 dargestellten
Arbeitskennlinie kurz erläutert. Die Kennlinien im rechten oberen Quadranten der
Fig. 2 gelten für Spannungen, die die Emitter-Kollektor-Strecke in Durchlaßrichtung
beanspruchen. Aus diesen Kennlinien ist zu ersehen, daß man die an der Arbeitsstrecke,
also die zwischen Emitter und Kollektor anliegende Spannung bis zu einer gewissen
Grenze - knapp an der sogenannten Umbruchspannung - erhöhen kann, ohne daß hierbei
eine wesentlicheÄnderung des dieArbeitsstrecke durchfließenden Stromes feststellbar
wäre. Die Größe der Umbruchspannung ist hierbei von der Höhe eines der Basis zugeführten
Steuerstromes abhängig, und zwar in der Weise, daß die Umbruchspannung den höchsten
Wert hat, wenn der Basisstrom gleich Null ist, und daß die Größe der Umbruchspannung
mit steigendem Steuerstrom (l,) abnimmt (1">J"). Wird die an der Arbeitsstrecke
liegende Spannung über einen bestimmten, vermittels des Steuerstromes einstellbaren
Grenzwert der Umbruchspannung erhöht, dann bricht die Sperrwirkung der Halbleiteranordnung
zusammen. Der Widerstand der Arbeitsstrecke nimmt einen sehr kleinen Wert an, der
jetzt unabhängig von der Größe der an der Arbeitsstrecke liegenden Spannung ist.
Die Stärke des fließenden Stromes ist im wesentlichen nur durch die Widerstände
der mit der Arbeitsstrecke in Serie liegenden Verbraucher bestimmt. Nachteilig bei
diesen Geräten ist die geringe Sperrspannungsbelastbarkeit. Wie der Kennlinie im
unteren Quadranten der Fig.2 zu entnehmen ist, liegt der Zenerknick dieses Halbleiterelements
bei verhältnismäßig niedrigen Spannungswerten. Es genügt bereits eine Spannung von
etwas über 6 Volt, um hohe Ströme in Sperrichtung hervorzurufen. Solche Ströme führen
aber zur Zerstörung des Halbleiters und müssen vermieden werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung einer Wechselspannung so aufzubauen, daß eine überbeanspruchung der
Halbleitergeräte in Sperrichtung mit Sicherheit vermieden wird. Nach der Erfindung
kann für eine Anordnung zur Steuerung der einem Wechselstromverbraucher zugeführten
Leistung, bei der mit diesem Verbraucher die Arbeitsstrecke eines Trinistors in
Reihe geschaltet ist, der seinerseits von einem geeigneten Steuergerät periodisch
in einstellbaren Zeitintervallen durchgesteuert wird, dadurch eine erhebliche Verbesserung
erreicht werden, daß zu der Arbeitsstrecke des Trinistors ein Ventil parallel geschaltet
wird, dessen Durchlaßrichtung der des Trinistors entgegengerichtet ist und dessen
Schwellwertspannung kleiner als die Umbruchspannung des Trinistors in Sperrichtung
ist.
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Besonders auffallende Vorteile lassen sich mit der Erfindung erzielen,
wenn die einem Drehstromverbraucher zugeführte Leistung gesteuert werden soll. Diese
Aufgabe besteht z. B. bei der Drehzahlsteuerung von Drehstromasynchronmotoren. Es
ist bereits vorgeschlagen worden, diese Aufgabe bei einem dreiphasigen System mit
Hilfe von sechs Trinistoren zu lösen. Die Anordnung nach der Erfindung kommt dagegen
bei einem dreiphasigen Wechselstromverbraucher mit nur drei Trinistoren aus, wodurch
der Aufwand erheblich herabgesetzt ist.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür wird im folgenden an Hand der Fig.
1 näher erläutert. Der Asynchronmotor
ist dort mit 2, sein
Läufer mit 6 und die drei Sekundärwicklungen sind mit 4 bezeichnet. In jede
der drei Zuleitungen der Ständerwicklungen ist ein mit 8 bezeichneter Trinistor
eingeschaltet. Jeder dieser Trinistoren besitzt einen Emitteranschluß 20, einen
Kollektoranschluß 22 und einen Basisanschluß 24. Der Emitter-Kollektor-Strecke
- zur Vereinfachung als Arbeitsstrecke bezeichnet - ist jeweils ein Ventil
10 in der Weise parallel geschaltet, daß das Ventil Strom in entgegengesetzter
Richtung durchläßt wie der Trinistor. Die Steuerstrecken aller drei Trinistoren
sind an eine gemeinsame Impulsspannungsquelle 12 angeschlossen, die geeignete
Spannungsimpulse liefert, mit deren Hilfe der Wert der Umbruchspannung in Durchlaßrichtung
gesteuert wird. Als Spannungsquelle kann hierbei beispielsweise eine Batterie dienen,
die zwischen die Steuerelektrode und eine der beiden anderen Elektroden 20 oder
22 eines jeden Trinistors über Steuerschalter angeschlossen ist, wobei diese Steuerschalter
im Gleichtakt allen drei Trinistoren Steuerströme gleicher, vorbestimmter Größe
zuführen.
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Die dem Verbraucher zugeführte Leistung kann nun auf zwei Arten gesteuert
werden. Wie bereits ausgeführt, ist der Wert der Umbruchspannung der Trinistoren
abhängig von der Größe des Steuerstromes. Soll dem Verbraucher beispielsweise eine
geringere Spannung zugeführt werden, dann wird man den drei Trinistoren einen verhältnismäßig
kleinen Steuerstrom zuführen. Diesem kleinen Steuerstrom entspricht eine relativ
große Umbruchspannung. Die Trinistoren werden erst dann durchlässig, wenn die Amplitude
der speisenden Wechselspannung den durch die Größe des Steuerstromes festgelegten
Wert der Umbruchspannung übersteigt. Je größer der Steuerstrom gewählt wird, um
so niedriger ist der Wert der Umbruchspannung, um so größer ist also die über die
Trinistoren dem Verbraucher in jeder Halbwelle zugeführte Spannungszeitfläche, da
die Trinistoren schon bei kleineren Amplitudenwerten zünden.
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Man kann den Zeitpunkt der Zündung aber auch durch einen kurzzeitigen
Steuerstromimpuls bestimmen, dessen Amplitude groß genug ist, den Trinistor auch
bei sehr kleinen Speisespannungen zu zünden. Ist ein Trinistor durch einen solchen
Impuls einmal gezündet, dann bleibt er auch leitend, bis der fließende Strom - allein
durch die Last bestimmt -einen unteren Grenzwert - in der Nähe des Nulldurchganges
der speisenden Wechselspannung -unterschreitet. Bei diesem Steuerverfahren ist lediglich
darauf zu achten, daß die maximale Amplitude der speisenden Wechselspannung kleiner
als die größte Umbruchspannung der verwendeten Trinistoren ist. Das zuletzt genannte
Verfahren ist gegenüber dem vorher angeführten vorteilhafter, da es eine geringere
Steuerleistung benötigt und vor allem, weil es auf diese Weise möglich ist, die
Trinistoren auch zu einem Zeitpunkt zu zünden, der in der zweiten Hälfte einer Halbwelle
der speisenden Wechselspannung liegt. Dieses Steuerverfahren wird vorzugsweise bei
der Speisung eines Verbrauchers aus einem Dreiphasennetz angewendet. Um dies deutlich
zu machen, sei nochmals auf die Fig. 1 Bezug genommen. Ein dreiphasiger Verbraucher
in Sternschaltung wird dort aus einem dreiphasigen Netz ohne Stempunktleiter gespeist.
Die Summe der in den drei Leitern fließenden Ströme muß also immer Null ergeben.
Um diese Bedingung zu erfüllen, ist es erforderlich, daß in allen drei Stromzuführungen
ein Stromfluß in beiden Richtungen möglich ist, sobald einer der in die drei Leitungen
eingeschalteten Trinsistoren durchgesteuert ist. Da aber an den Arbeitsstrecken
der drei Trinistoren in jedem Augenblick verschieden große Spannungen liegen, läßt
sich eine gleichzeitige Zündung aller drei Halbleiterelemente nur durch einen Stromimpuls
erreichen, dessen Amplitude groß genug ist, auch den Trinistor durchzusteuern, an
dem die geringste Speisespannung liegt.
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Bei Umkehrung der Stromrichtung in einer der Zuleitungen übernimmt
die der Arbeitsstrecke des in diese Zuleitung eingeschalteten Trinistors parallel
geschaltete, nicht steuerbare Diode den Rückstrom. Man kann die Schaltung aber auch
so aufbauen. daß die Größe der Rückströme mittels Trinistoren gesteuert wird und
die Ströme in umgekehrter Richtung über die Dioden dem Verbraucher zugeführt werdcn.