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Steueranordnung mit zwei starkleitenden Halbleiterdioden (Schaltdioden)
Die Erfindung bezieht sich auf Steueranordnungen unter Verwendung stark leitender
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 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 Sperrrichtung wird die Diode für den Strom in Sperrrichtung
wieder gesperrt.
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Diese Wirkungsweise hat nichts mit dem Zener-oder dem Avalanche-Effekt
zu tun. Das vorgenannte Betriebsverhalten der sogenannten Schaltdiode kann beliebig
oft erreicht werden.
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Solche Halbleiterdioden 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 vön 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 leitenden 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
Verunreinigungssätze wie die zweite Basis haben.
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Die Stromspannungscharakteristik einer solchen Diode ist in F i g.
2 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 3 Stromeinheiten
(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 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 Sperrrichtung auf, der einen plötzlichen Stromanstieg 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 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.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum
Steuern der Speisung einer Last durch eine Wechselstromquelle mit einer unter den
Durchbruchswert von stark leitenden Halbleiterdioden bleibenden Spannung, bei der
mindestens eine stark leitende Halbleiterdiode (Schaltdiode) in Gegenreihe mit mindestens
einem Sperrglied geschaltet ist und dem Lastkreis sowie dem Steuerkreis, der durch
mindestens ein Sperrglied vom Lastkreis abgesperrt wird, mindestens eine Schaltdiode
gemeinsam ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis zwei
im entgegengesetzten Sinn wirkende vormagnetisierbare Drosselspulen in Reihe mit
einer Steuerwechselspannungsquelle enthält, deren Spannung synchron mit der Speisewechselspannung
ist und bei Sättigung einer der Drosselspulen den Durchbruchswert überschreitet,
und daß zur Verschiebung des Zündwinkels durch Sättigung der Drosselspulen deren
Steuerwicklungen eine veränderbare Eingangsspannung zugeführt ist.
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Je nach der Größe der Eingangsspannung kommt eine der beiden Drosselspulen
früher oder später in Sättigung und bewirkt dadurch ein plötzliches Ansteigen der
an der Schaltdiode wirksamen Steuerspannung über deren Durchbruchswert, so daß diese
öffnet und einen Stromfluß durch den Lastkreis bis zum Nulldurchgang der jeweiligen
Halbwelle der Speisespannung ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten sind nachfolgend erläutert. In der Zeichnung
ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.
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Die Einrichtung nach F i g. 1 besteht aus einem Lastkreis
50, einem Steuerkreis 80 und einem Eingangskreis 10. Der Lastkreis
50 enthält eine Brückenschaltung 56 mit zwei Schaltdioden 60 und
70 und zwei normalen Gleichrichtern 54 und 55. Gleichartige Teile der Brückenschaltung
sind jeweils in einander gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet und haben
entgegengesetzte Durchlaßrichtungen. Mit den Eckpunkten 57 und 58 der Brückenschaltung
56 sind Eingangsklemmen 51 und 52 verbunden, an die eine speisende Wechselspannung
angeschlossen ist. In die Verbindungsleitung zwischen der Eingangsklemme
52 und der Brückenschaltung 56 ist ein Lastwiderstand 53 geschaltet.
Somit ergibt sich der eine Laststrompfad von der Eingangsklemme 51 über die
Schaltdiode 60, den Gleichrichter 54 und die Last 53 zur Eingangsklemme
52. Der zweite Laststrompfad zwischen den beiden Eingangsklemmen 51 und 52
ist über den Gleichrichter 55, die Schaltdiode 70 und die Last 53 geschlossen.
Die Durchlaßrichtungen der Schaltdiode 60 und des Brückengleichrichters 54 weisen
voneinander weg, die der Brückenglieder 55 und 60 aufeinander zu. Der Lastkreis
50 überträgt durch einen Transformator 40 eine Wechselspannung auf
den Steuerkreis 80. Hierzu besitzt der Transformator 40 einen Kern
41 mit einer an die Eingangsklemmen 51 und 52 angeschlossenen Primärwicklung
42 und einer Sekundärwicklung 43, die in den Steuerkreis geschaltet
ist.
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Ferner ist der Eingangskreis 10 durch zwei sättigbare Drosseln
20 und 30 mit dem Steuerkreis 80 gekoppelt. Die Drosseln 20 und
30 sind als Magnetverstärker ausgebildet, um die Durchbruchsspannung der
Schaltdioden 60 und 70 in Abhängigkeit von einem den Klemmen 11 und 12 zugeführten
Eingangssignal zu erzeugen. Der Magnetverstärker 20
besitzt einen sättigbaren
Magnetkern 21 mit einer Steuerwicklung 22 und einer Arbeitswicklung 23, der
Magnetverstärker 30 einen ebensolchen Magnetkern 31 mit einer Steuerwicklung
32 und einer Arbeitswicklung 33.
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Der besagte Steuerkreis 80 besteht aus der Reihenschaltung eines Strombegrenzungswiderstandes
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mit den Arbeitswicklungen 23 und 33 der Magnetverstärker 20 und
30 sowie der Sekundärwicklung 43 des Transformators 40; er
ist an die beiden gegenüberliegenden Eckpunkte 61 und 62 der Brückenschaltung 56
angeschlossen. Die beiden Gleichrichter 54 und 55 haben die Aufgabe, sowohl einen
Stromfluß im Lastkreis über die Schaltdioden 60 und 70
in deren Durchlaßrichtungen
zu verhindern, als auch den Steuerkreis 80 vom Lastkreis 50 abzusperren.
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Der Eingangskreis 10 mit seinen Anschlußklemmen 11 und
12 besteht aus der Gegenreihenschaltung der beiden Steuerwicklungen 22 und
32 mit einem Gleichrichter 13. Parallel zu beiden Steuerwicklungen ist ein
Glättungskondensator 14 angeschlossen.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach F i g. 1 ist an Hand der Kurven
nach F i g. 3 und 4 näher erläutert.
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Wie in F i g . 3 gezeigt ist, ist die Speisespannung U kleiner als
die Durchbruchsspannung der Schaltdioden 60 und 70. Somit ist ein
Stromfluß über die Last 53 so lange nicht möglich, wie die Schaltdioden 60 und 70
gesperrt sind, d. h. solange der Steuerkreis keine Spannung an die Schaltdioden
legt, die den Durchbruchswert übersteigt. Die an den Wicklungen angegebenen Punkte
zeigen die Stellen augenblicklich gleicher Polarität an, bezogen auf die andere
Wicklung des gleichen Kernes. Der Punkt gibt auch die Richtung der Sättigung an,
wobei angenommen ist, daß der in das mit Punkt gekennzeichnete Wicklungsende hineinfließende
Strom den Kern in positive Sättigung bringt, dagegen der aus dem mit Punkt gekennzeichneten
Wicklungsende herausfließende Strom eine Entsättigung des betreffenden Kernes zur
Folge hat.
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Die Sekundärwicklung 43 des Transformators 40
stellt
die Spannungsquelle für den Steuerkreis 80
dar. Bei der einen Spannungshalbwelle
in der Wicklung 43 wird nach obigen Darlegungen der Magnetverstärker
20 in Sättigung und der Magnetverstärker 30 aus der Sättigung gebracht, bei
der anderen Spannungshalbwelle ist es umgekehrt. Solange keiner der Magnetverstärker
gesättigt ist, stellen die Arbeitswicklungen 23 und 33 große Widerstände im Steuerkreis
80 dar, so daß fast die ganze Spannung der Wicklung 43 an ihnen abfällt
und an den Eckpunkten 61 und 62 der Brückenschaltung praktisch keine Steuerspannung
Ust anliegt. Wenn nun einer der beiden Magnetverstärker zu einem bestimmten Zündwinkel
O in Sättigung gegangen ist, stellt die Arbeitswicklung 23 bzw.
33 nunmehr einen kleinen Widerstand dar, so daß ein beträchtlicher Teil der
Spannug der Sekundärwicklung 43 plötzlich an einer der beiden Schaltdioden 60 bzw.
70 auftritt. Dies ist in F i g. 3 gezeigt, wo die Steuerspannung Ust beim Zündwinkel
O zuerst an der Schaltdiode 60 und in der nächsten Halbwelle an der Schaltdiode
70 auftritt. Die Steuerspannung Ust ist größer als die Durchbruchsspannung der betreffenden
Schaltdiode, so daß diese zum Zeitpunkt der Sättigung eines der Magnetverstärker
einen Stromfluß durch die Last 53 ermöglicht. Der Zeitpunkt für die Sättigung eines
der
Magnetverstärker 20 bzw. 30 während jeder Halbwelle der den
Klemmen 51 und 52 zugeführten Speisespanung U hängt von der Größe der den Vormagnetisierungsgrad
bestimmenden Eingangsspannung an den Klemmen 11 und 12 ab. Die Eingangsspannung
wird durch den Gleichrichter 13 gleichgerichtet und durch den Glättungskondensator
14 geglättet. Je größer die Eingangsspannung ist, desto früher werden die Magnetverstärker
20 und 30 in jeder Halbwelle gesättigt und desto kleiner werden die
Zündwinkel O. Selbstverständlich kann auch eine Gleichspannung den Klemmen 11 und
12 zugeführt werden. Zur Steuerung nur einer durchgelassenen Halbwelle der Speisespannung
kann unter Fortfall der Brückenschaltung die Last in Reihe mit einem Gleichrichter
und einer gegengeschalteten Schaltdiode im Lastkreis angeordnet sein.
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In F i g. 4 ist die Spannung Un an den Schaltdioden während der zugeordneten
Halbwellen der Speise- und Steuerspannungen dargestellt. Die Spannung an der betreffenden
Schaltdiode nimmt zuerst mit der Speisespannung an den Klemmen 51 und 52 zu, so
lange, bis einer der Magnetverstärker gesättigt ist. Alsdann wird die in Sperrichtung
wirkende Steuerspannung an einer der Schaltdioden über deren Durchbruchswert ansteigen,
so daß die betreffende Schaltdiode plötzlich stromdurchlässig wird und an ihr bis
zum Ende der Speisespannung nur mehr ein unbedeutender Spannungsabfall auftritt.
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Wie aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich ist, liegt die Speisespannung
im ganzen Bereich unterhalb der Durchbruchsspannung der Schaltdioden, so daß diese
bei Fehlen einer zusätzlichen Steuerspannung sperrend bleiben. Die Last 53 erhält
also nur einen Strom, wenn die Steuerspannung einen Durchbruch der Schaltdioden
erzwingt. Der Stromfluß durch die Last 53 hört auf, wenn der Strom durch die Schaltdiode
in Sperrichtung kleiner als der zur Aufrechterhaltung des geöffneten Zustandes der
Schaltdiode notwendige Strom ist.
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Der Zündwinkel O ist hiernach eine Funktion des den Klemmen 11 und
12 zugeführten Steuersignals. Wenn die Eingangsspannung zunimmt, dann nimmt auch
der Strom durch die Steuerwicklungen 22 und 32 zu, wobei der Zündwinkel O verkleinert
wird. Mit der Änderung des Zündwinkels O wird somit der Zeitpunkt des Durchbruchs
der betreffenden Schaltdiode geändert.
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Die Einrichtung nach der Erfindung gemäß F i g. 1 hat folgende Vorteile:
Beide Halbwellen der Speisespannung sind im gleichen Maße und gemeinsam steuerbar.
Zu jedem wählbaren Zeitpunkt innerhalb der Halbwellen können die Schaltdioden stromdurchlässig
gemacht werden. Wenn dem Steuer- und Lastkreis rechteckförmige Spannungen zugeführt
sind, kann jede Halbwelle der Speisespannung bis auf Null gesteuert werden. Die
Einrichtung hat eine lineare Arbeitskennlinie, und die gezeigte Form der Steuerspannung
erlaubt eine genaue Zündung der Schaltdioden zu jedem gewünschten Zeitpunkt unabhängig
vom Augenblickswert der Lastspannung, wodurch eine große Lastunempfindlichkeit für
die Laststeuerung erreicht wird.
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Vorteilhaft kann die Einrichtung nach der Erfindung z. B. für elektrisches
Schweißen verwendet werden, um die Schweißwärme zu steuern. Ferner kann die Einrichtung
zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors benutzt werden, wenn ihre Ausgangsspannung
gleichgerichtet wird. Die Einrichtung nach der Erfindung kann weiterhin zur Verstärkung
der Spannungen der Magnetverstärker benutzt werden, beispielsweise zur Abgabe von
Alarmsignalen od. dgl.