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Hochspannungsgleichrichter mit Halbleiter-Kristallgleichrichterzellen,
insbesondere mit Siliziumzellen Hochspannungsgleichrichter auf Halbleiterbasis enthalten
jeweils eine Anzahl von in Serie geschalteten Gleichrichterzellen, da eine Halbleiter-Gleichrichterzelle
allein nur relativ kleine Spannungen zu sperren vermag. Als Halbleiter-Gleichrichterzellen
verwendet man in üblicher Weise Selengleichrichterzellen.
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Selenzellen haben jedoch den Nachteil, daß sie nur eine sehr geringe
Sperrspannung besitzen, so daß für hohe Spannungen sehr viele Zellen in Reihe geschaltet
werden müssen. Hinzu kommt, daß an den Selenzellen infolge des relativ hohen Spannungsabfalles
in Durchlaßrichtung eine beträchtliche Verlustwärme entsteht, die im allgemeinen
dadurch abgeführt wird, indem man den Selengleichrichter in Öl einbettet. Durch
diese Maßnahme werden jedoch die Reparaturarbeiten sehr erschwert. Die hohe Verlustleistung
bringt auch dort Schwierigkeiten mit sich, wo die Umgebungstemeperatur sehr hoch
liegt oder die Kühlungsverhältnisse sonst ungünstig sind, z. B. wenn am Ort der
Aufstellung des Gleichrichteraggregates Wasser zur öl-Wasser-Rückkühlung fehlt.
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Im Hinblick auf vorstehende Nachteile ist man deshalb bestrebt, den
Selengleichrichter durch einen Halbleiter-Kristallgleichrichter, insbesondere durch
den Siliziumgleichrichter, zu ersetzen. Der Siliziumgleichrichter hat bekanntlich
eine weit höhere Sperrspannung und wesentlich geringere Verluste als der Selengleichrichter.
Dadurch hat man den Vorteil, daß für eine bestimmte Gleichspannung die Anzahl der
in Reihe zu schaltenden Zellen kleiner ist als bei Verwendung von Selenzellen. Hinzu
kommt, daß sich wegen der geringen Verlustleistung die Kühlung einfacher gestalten
läßt, wobei z. B. beim Einsatz des Gleichrichters in elektrostatischen Anlagen mit
relativ geringem Strom (Lachier- und Staubabscheideranlagen) eine Luftkühlung vollauf
genügt; es können dabei auch gesonderte Kühlkörper für die Siliziumzellen entfallen.
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Die Siliziumgleichrichterzelle hat jedoch gegenüber der Selengleichrichterzelle
den Nachteil, daß sie eine Beschaltung zum Schutz gegen überspannungen und zur gleichmäßigen
Spannungsverteilung benötigt, die z. B. aus einem parallelgeschalteten RC-Glied
und einem Parallelwiderstand bestehen kann. Diese zusätzlich erforderlichen Elemente
(Schutzelemente) komplizieren einmal wegen der Beschaltungsarbeit die Herstellung
von Hochspannungsgleichrichtern und zum anderen bedingen sie einen relativ sperrigen
Aufbau.
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Es ist schon ein Gleichrichtergerät bekannt, das aus einer Vielzahl
von Isolierstoffolien besteht, auf denen Teilwicklungen in Form eines gedruckten
Leitungszuges aufgebracht sind. Das eine Ende einer jeden Teilwicklung ist mit einem
Gleichrichterelement in Pillenform verbunden. Der so aufeinandergelegte Stapel der
Einzelfolien ergibt das Gleichrichtergerät.
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Wie bei dem bisher Bekannten ist es auch hier notwendig, eine große
Zahl von Folien mit je einem Wicklungsteil und je einem Gleichrichterelement aufeinanderzulegen,
um zu einem Gleichrichtergerät zu gelangen. Für einen Hochspannungsgleichrichter
ist diese Bauweise sehr aufwendig.
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Weiterhin ist eine Hochspannungsgleichrichtereinheit mit Siliziumgleichrichtern
bekannt, die aus Montageplatten geringer Leitfähigkeit zur Aufnahme der Siliziumgleichrichter
besteht. Die Eigenschaft des Werkstolles für die Montageplatten soll bewirken, daß
eine möglichst gleichmäßige Aufteilung der Sperrspannung der Einzelelemente erzielt
wird.
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Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Gleichrichterelementen
wird durch besondere Leiter hergestellt. Mit dieser bekannten Lösung soll erreicht
werden, daß bei einem Gleichrichtergerät, das aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten
Einzelelementen besteht, eine gleichmäßige Spannungsaufteilung erfolgt. An einem
raumsparenden Aufbau des Gleichrichtergerätes ist nicht gedacht worden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsgleichrichter
mit Halbleiter-Kristallgleichrichterzellen, insbesondere Siliziumzellen, denen eine
Parallelschaltung eines RC-Gliedes und eines Schutzwiderstandes zugeordnet ist,
so aufzubauen, daß die Herstellung sehr einfach und rationell durchgeführt werden
kann bzw. sich ein gedrängter Aufbau des Gleichrichters ergibt.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß
als Träger für die Gleichrichter
und deren Schutzelemente eine
an sich bekannte gedruckte Schaltung (Printplatte) vorgesehen ist.
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Die Printplatte, .die in üblicher Weise die Leitungsverbindungen als
Kupferkaschierung enthält, kann mit den Elementen in vorteilhafter Weise raumsparend
bestückt werden und z. B. im Tauchlötverfahren verlötet werden. Auf diese Weise
erhält man neben einem gedrängten Aufbau rationell und sicher sämtliche Verbindungen,
die sonst Schwierigkeiten bereiten. Elektronische Bauelemente durch eine gedruckte
Schaltung zu verbinden, ist an sich in der Nachrichtentechnik bekannt. In diesem
Anwendungsbereich kommen jedoch nur relativ kleine Spannungen vor, die unschwer
zu beherrschen sind bzw. keinen Einfluß auf .den gerätetechnischen Aufbau haben.
Im vorliegenden Fall handelt es sich jedoch um einen Hochspannungsgleichrichter,
bei dem relativ hohe Spannungen auftreten, die bei der Verschaltung der Elemente
durch entsprechend große Abstände zu berücksichtigen sind. Es war überraschend,
daß .eine Printplatte, die infolge der kleinen Abstände der Verbindungspunkte bzw.
Leitungen den gewünschten gedrängten Aufbau erlaubt, zum Aufbau eines Hochspannungsgleichrichters
geeignet ist, zumal man im Hinblick auf die kleinen Abstände bzw. Spitzen und Kanten
der Auffassung war, daß die Kriechwege zu kurz bzw. Sprüherscheinungen und Überschläge
zu erwarten seien, die die Brauchbarkeit einer solchen Anordnung in Frage stellen
würden. Die Übertragung der aus der Nachrichtentechnik bekannten Maßnahme auf das
davon entfernt liegende Gebiet der Hochspannungstechnik lag daher nicht nahe.
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Die mit den hintereinandergeschalteten Siliziumzellen bzw. den Schutzelementen
bestückte Printplätte kann unter Öl unmittelbar als Gleichrichter verwendet werden.
Da man, wie vorstehend erläutert, für den Siliziumgleichrichter Öl zur Kühlung nicht
benötigt, ist es zweckmäßig, eine Luftausführung vorzusehen. Bei einer derartigen
Ausführungsform wird zweckmäßig nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, wie an
sich bekannt, auf die mit der gedruckten Schaltung versehene Seite der Printplatte
eine Schicht isolierenden Materials, das nach Aufbringung erhärtet, insbesondere
eine Gießharzschicht, aufgebracht.
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An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird
die Erfindung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die Printplatte in mehreren Stadien
des Aufbaues (Draufsicht), F i g. 2 eine Seitenansicht der bestückten und verlöteten
Printplatte, F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung für die Beschaltung
der Siliziumzellen mit Schutzelementen.
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In F i g. 1 ist eine rechteckförmige Printplatte 1 dargestellt, die,
wie im oberen Teil der Figur dargestellt, auf der Unterseite eine Kupferkaschierung
2, 2a bestimmter flächenhafter Ausdehnung trägt, die zur Herstellung der galvanischen
Verbindungen dient. Der zweite Abschnitt der F i g. 1 zeigt jeweils in einer Zeile
eine Siliziumzelle V und zwei Widerstände R1, R2 (F i g. 3), die im Hinblick auf
einen gedrängten Aufbau etwa unter einem Winkel von 45° angeordnet sind. In den
weiteren Abschnitten der F i g. 1 bzw. in F i g. 2 ist zu erkennen, in welcher Weise
der Kondensator K nach F i g. 3 auf der Printplatte räumlich angeordnet ist. Er
liegt, ebenfalls aus Gründen des gedrängten Aufbaues, oberhalb der Zelle und der
beiden Widerstände.
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Die Printplatte besitzt an den dargestellten Punkten Durchbohrungen,
durch die die Anschlußdrähte der aufzubringenden Bauelemente hindurchgesteckt werden.
Diese Drähte werden dann auf der Unterseite mit der Kupferkaschierung, z. B. nach
dem Tauchlötverfahren, verlötet. Um Überschläge und Sprüherscheinungen zu vermeiden,
ist, wie F i g. 2 zeigt, auf die Unterseite der fertig bestückten und verlöteten
Platte 1 eine Gießharzschicht 3 aufgebracht.
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In F i g. 3 sind mit A bis H die Anschlußdrähte der
einzelnen Bauelemente bezeichnet. So bedeutet z. B. A immer der rechte Anschlußdraht,
B jeweils der linke Anschlußdraht der Siliziumzellen. In F i g. 1 sind die Bohrungen
jeweils nach dem Anschluß bezeichnet, der durch die betreffende Bohrung gesteckt
wird. Wie man an Hand des oberen Teils der F i g. 1 unschwer erkennt, werden dabei
durch die flächenhaften Kupferkaschierungen die zum Aufbau der Schaltung nach F
i g. 1 notwendigen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen hergestellt.
Beispielsweise werden die Siliziumzellen V dadurch in Reihe geschaltet, daß sich
jeweils die Bohrung B der Zelle V" und die Bohrung A der Zelle Y"+,
auf einer Kaschierungsfläche 2 befinden.
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Der wesentliche Vorteil ist einmal darin zu sehen, daß der Aufbau
eines Gleichrichterstabes einfach und rationell durchzuführen ist, was sich auch
insbesondere bei hohen Stückzahlen bemerkbar macht. Durch die immer lauter werdende
Forderung nach »reiner Luft« bzw. das immer stärkere Vordringen der elektrostatischen
Lackierungstechnik werden nämlich immer mehr elektrostatische Staubabscheider- bzw.
Lackieranlagen und damit Gleichrichteraggregate benötigt, so daß allein im Hinblick
auf diese beiden Gebiete das Problem der großen Stückzahlen von Bedeutung erscheint.
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Hinzu kommt, daß sich ein relativ gedrängter Aufbau ergibt, was sich
sehr günstig auf die äußeren Abmessungen auswirkt. Das Problem der Raumfrage ist
aber bekanntlich für die Gleichrichteraggregate ein bedeutsames Problem. Eine Printplatte,
die beispielsweise zum Aufbau eines 11-KVeff-Stabes mit 22 Siliziumzellen und zugeordneten
Schutzelementen bestückt ist, hat etwa die Abmessung 400 X 55 X 30 (mm).