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Anordnung zum Zünden eines Thyristors Zum Zünden eines Thyristors
sind verhältnismäßig hohe Ströme, nämlich - je nach Exemplar - einige
hundert Milliampere erforderlich. Dieser Strom wird häufig von einer Quelle geliefert,
deren Spannung wesentlich über der an der Steuerstrecke eines Thyristors maximal
zulässigen Spannung liegt. Man ist daher gezwungen, einen Spannungsteiler zu verwenden.
Dieser müßte mit Rücksicht auf den hohen Steuerstrom einen relativ kleinen Gesamtwiderstand
aufweisen, was dauernd hohe Verluste bedeutet. Die meisten bekannten Steuereinheiten
arbeiten daher nicht mit ohmschen Spannungsteilern, sondern mit einem Kondensator,
der über einen Vorwiderstand aufgeladen wird und der sich über ein Schaltglied und
die Steuerstrecke des Thyristors entlädt, sobald die Kondensatorspannung einen durch
das Schaltglied bestimmten Grenzwert erreicht hat. Eine solche Anordnung liefert
eine Folge von Impulsen, deren Abstand durch die Auflade-Zeitkonstante des RC-Gliedes
bestimmt ist. Als Schaltglieder sind dabei solche Elemente geeignet, die in bestimmten
Strom-Spannungs-Bereichen einen negativen Widerstand besitzen. Zu dieser Kategorie
gehören beispielsweise Neon-Glimmlampen oder Mehrschicht-Halbleiterschalter, z.
B. solche mit vier Schichten, die unter dem Namen Shockley-Dioden bekanntgeworden
sind. Solche Vierschichtendioden können kurzzeitig sehr hohe Spitzenströme, beispielsweise
bis zu 50 Amp. führen und sind daher besonders gut als Schaltglieder im Steuerkreis
von Thyristoren geeignet.
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Der Anwendungsbereich solcher Steuersätze ist aber durch einander
widersprechende Forderungen bezüglich der Bemessung der Bauteile sehr beschränkt.
Ausgehend -von der Kippspannung der gewählten Shockley-Diode muß zunächst die Größe
eines im Steuerkreis liegenden Widerstandes so 'gewählt werden, daß der Steuerstrom
über den Thyristor den zum Zünden erforderlichen Grenzwert erreicht. Dieser Strom
muß aber auch eine bestimmte Mindestzeit fließen. Dadurch ist auch die Größe des
Kondensators festgelegt. Der Zündzeitpunkt kann daher bei den bekannten Schaltungen
nur durch den Ladewiderstand des Kondensators verändert werden, allerdings auch
nur zwischen zwei Grenzwerten. Einerseits darf ein unterer Grenzwert nicht unterschritten
werden, weil sonst die Shockley-Diode nicht mehr in den Sperrzustand zurückkippen
kann. Der Widerstandswert darf aber auch nicht zu groß sein, weil sonst die Kippspannung
an der Shockley-Diode nicht erreicht wird. Damit ist aber auch kein be-.liebig großer
lmpulsabstand möglich. Erschwerend wirkt schließlich noch, daß der Kippunkt einer
Shockley-Diode nicht nur von dem Absolutwert der Spannung sondern auch von ihrer
Änderung abhängig ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Zünden eines Thyristors,
dessen Steuerstrecke über ein Schaltglied mit Schwellwertcharakter und negativem
Widerstandsbereich einem Kondensator parallel geschaltet ist, der über einen Widerstand
an eine Spannungsquelle angeschlossen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur freizügigen.Bestimmung
des Zündzeitpunktes zu schaffen.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert der
Spannung an dem Kondensator so begrenzt wird, daß das Schaltglied nicht in den leitenden
Zustand kippen kann, daß zwischen Kondensator und Schaltglied eine Entkopplungsdiode
liegt und daß dem Kondensator und der Entkopplungsdiode eine Steuerspannungsquelle
mit hohem Innenwiderstand über eine weitere Entkopplungsdiode parallel geschaltet
ist.
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Die Steuerspannungsquelle wird dabei in der Regel ebenfalls aus einem
Spannungsteiler bestehen. Dieser kann aber wesentlich hochohmiger ausgeführt sein
als ein Spannungsteiler der eingangs erwähnten Art, der unmittelbar den Zündstrom
für den Thyristor liefert. Der Steuerspannungsteiler braucht nämlich lediglich den
verhältnismäßig niedrigen Schaltstrom der Vierschichtendiode zu liefern, der bei
etwa 150 gA liegt.
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Die Bestimmung des Zündzeitpunktes des Thyristors bzw. der Schaltdiode
durch einen Strom, der von einem verhältnismäßig hochohmigen Steuerspannungsteiler
abgeleitet wird, ermöglicht zwei ein-C
fache, aber sehr wertvolle
Weiterbildungen der Ert2 finduno, Einmal kann man dem dem Kondensator parallelliegenden
Zweig des Steuerspannungsteilers ebenfalls einen Kondensator parallel schalten und
so eine Ansprechverzögerung gegenüber dem Anlegen einer Spannung an den Spannungsteiler
erzielen. Entscheidend ist dabei, daß die Bemessung der Widerstände des Steuerspannungsteilers
und dieses Kondensators nicht mehr von Eigenschaften und Forderungen des eigentlichen
Steuerkreises des Thyristors beeinflußt wird. Man kann daher bereits mit einem Kondensator
mit verhältnismäßig kleiner Kapazität und mit entsprechend hochohmigen Widerständen
große Zeitkonstanten erzielen.
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Eine solche Anordnung arbeitet als elektronisches Relais mit Ansprech-
und Abfallverzögerung, wenn der Lastkreis des Thyristors mit einer periodisch Null
werdenden, pulsierenden Gleichspannung gespeist wird, wie man siz beispielsweise
durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erhält. Wenn der Thyristor einmal gezündet
ist, wird die Stromflußdauer im wesentlichen durch die Größe des in seinem Steuerkreis
liegenden Kondensators und des Entladewiderstandes bestimmt. Eine solche Schaltung
wird man mit Vorteil dann anwenden, wenn es darum geht, eine in einem Verbraucherkreis
liegende Sicherung sehr schnell auszulösen, z. B. wenn eine Spannungs- oder Stromspitze
eine bestimmte Größe und Zeitdauer übersteigt. Größe und Zeitdauer dieser Spannungs-
oder Stromspitzen, die zur Auslösung führen sollen, können dabei durch den hochohmigen
Steuerspannungsteiler und den erwähnten, einem Teilwiderstand dieses Steuerspannungsteilers
parallelgeschalteten Kondensator eingestellt werden. Die Abfallverzögerung ist dann
so zu bemessen, daß der Thyristor erst dann wieder in den Sperrzustand übergeht,
wenn die Sicherung ausgelöst hat.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann in den dem Kondensator
parallelliegenden Zweig des Steuerspannungsteilers die Emitter-Kollektor-Strecke
eines Transistors oder eines anderen Schaltgliedes gelegt werden. Solange der Transistor
voll durchgesteuert ist, ist eine Zündung des Thyristors unmöglich. Erst wenn der
Transistor stetig oder sprungartig gesperrt wird, steigt die Spannung an ihm so
weit an, daß die Vierschichtendiode und damit der Thyristor zünden können. Der Transistor
kann beispielsweise mit einer periodisch verlaufenden Steuerspannung gesteuert werden.
Er kann auch zusammen mit einem weiteren Transistor eine Kippstufe bilden. Man erhält
so einen einfachen Steuersatz zur Erzeugung periodischer Zündimpulse. Die Zündimpulse
können entweder in verstärkter Form aus dem Hauptstromkreis des Thyristors oder
aber auch von der Sekundärwicklung eines I-Elfstransforinators abgeleitet werden,
dessen Primärwicklung an Stelle der Steuerstrecke des Thyristors mit dem Schaltglied
und dem Kondensator in Reihe liegt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang
mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert.
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Mit P ist die positive und mit N die negative Klemme
einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle bezeichnet. An diese Klemmen ist
ein Zündkondensator C über einen Widerstand R2 angeschlossen. Dem Kondensator
liegt eine Zenerdiode D 4 parallel, durch die die Spannung am Kondensator
so begrenzt wird, daß sie zum Zünden nicht ausreicht.
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Die Laststrecke eines Thyristors T ist über eine Last L an Klemmen
M und N angeschlossen, zwischen denen eine Wechselspannung oder eine pulsierende,
periodisch Null werdende Gleichspannung angelegt wird.
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Der Steuerstrecke des Thyristors T ist der Zündkondensator
C über eine Entkopplungsdiode D2,
eine Vierschichtendioden
D3 und einen Widerstand R3 parallel geschaltet. Eine Zenerdiode D4 parallel
zu dem Kondensator C begrenzt dessen Spannung auf einen Wert, der im Verhältnis
zu R3 so gewählt ist, daß der Strom über die Schaltdiode D 3 den zum Kippen
erforderlichen Grenzwert nicht erreichen kann.
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Zwischen den Klemmen P und N liegt der Steuerspannungsteiler,
bestehend aus einem Widerstand R 1
und einem Zwei- X. Letzterer ist
über eine Entkopplungsdiode D 1. der Reihenschaltung aus Zündkondensator
C und Entkopplungsdiode D 2 parallel geschaltet. Die Spannung am Abgriff
A dieses Spannungstellers kann so groß werden, daß über die Diode
D 1, die Schaltdiode D 3, Widerstand R 3 und die Steuerstrecke
des Thyristors T ein Strom fließen kann, der gleich oder größer als der Schaltstrom,
also größer als etwa 150 uA ist. Die Diode D 3 kippt dann und arbeitet
im Gebiet ihrer negativen Kennlinie. Das bedeutet, daß an ihr nur ein sehr geringer
Spannungsabfall liegt und ihr Widerstand sehr niedrig ist. Infolgedessen kann sich
der Kondensator C über die Diode D 3, den Widerstand R 3 und
die Steuerstrecke des Thyristors T nach Maßgabe der Zeitkonstante C
- R 3 entladen. Dabei sinkt der Entladestrom nach einer
gewissen Zeit unter den Haltestromwert der Diode D 3, so daß diese wieder
in den sperrenden Zustand kippt. Voraussetzung ist hierfür, daß der Widerstand R2
groß genug bemessen ist, daß also der über R 2, D 2,
D 3, R 3 und die Steuerstrecke des Thyristors T fließende Strom
kleiner als der Haltestrom der Diode D 3 ist.
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Wegen dieser Voraussetzung ist die Aufladezeit des Kondensators
C bei dieser Schaltung verhältnis, mäßig groß. Eine wesentliche Verbesserung
in dieser Hinsicht läßt sich erzielen, wenn man zwischen die Steuerstrecke des Thyristors
und die übrigen Steuerkreiselemente (C, D 2, D 3, R
3) einen Zündübertrager legt und diesen so bemißt, daß der Kondensator
C
zusammen mit der im Entladekreis wirksamen Induktivität des Zündübertragers
einen Schwingkreis bildet, derart, daß der über die Diode D 3 fließende Entladestrom
des Kondensators C einmal durch Null geht. Die Diode D 3 geht dann
zu einem definierten Zeitpunkt wieder in den Sperrzustand. Dieser Zeitpunkt wird
dabei praktisch nicht mehr von der Größe des Widerstandes R 2 beeinflußt, dessen
Wert man sehr klein wählen kann, um eine schnelle Aufladung des Zündkondensators
sicherzustellen. übrigens muß der Sekundär- oder Primärwicklung des übertragers
eine Diode zur Spannungsbegrenzung und Rückmagnetisierung parallel geschaltet werden.
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Der mit X bezeichnete Zweig des Spannungsteilers kann beispielsweise
aus der Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes mit einem Kondensator bestehen.
In diesem Fall wird das Potential am Punkt A
des Spannungsteilers erst um
eine bestimmte Zeit t verzögert nach dem Anlegen einer Spannung an die Klemmen P
und N den zum Zünden des Thyristors T
bzw. der Schaltdiode
D 3 erforderlichen Wert erreichen. Da der Spannungsteiler sehr hochohmig
ausgeführt werden kann, kann man bereits mit einem verhältnismäßig kleinen Kondensator
eine sehr große Ansprechverzögerung erreichen.
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Der Zweig X des Spannungsteilers kann aber auch aus der Emitter-Kollektor-Strecke
eines Transistors, gegebenenfalls in Reihe mit einem zusätzlichen Widerstand, bestehen.
Dieser Transistor kann dann beispielsweise als Schalter betrieben werden. Jedesmal,
wenn er von dem leitenden in den sperrenden Zustand umgesteuert wird, springt das
Potential des Punktes A auf das des Punktes P, und die Schaltdiode
D 3 wird zünden. Auch diese Schaltung ist nur anwendbar, weil dank der erfindungsgemäßen
Konzeption der Widerstand R 1 sehr hochohmig gehalten werden kann. Müßte
nämlich über diesen Widerstand der Zündstrom für den Thyristor T geführt werden,
dann müßte er sehr niederohmig bemessen werden, und es würde über den im Zweig X
liegenden Transistor ein sehr hoher Strom fließen, solange der Thyristor T sperren
soll.
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Der Zündkondensator C braucht übrigens über den Widerstand
R 2 nicht an die gleiche Spannungsquelle wie der Spannungsteiler, bestehend aus
Widerstand R 1 und X, angeschlossen zu werden. Der Kondensator
C könnte ebensogut auch über den Widerstand R 2 an die Klemme M gelegt werden.