DE3245278A1 - Lichtgetriggerter thyristor - Google Patents

Description

HOFFMAN Nf · EITt:E"Ä PARTNER

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INQ. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GDRG

DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

2-

37 906 p/hl

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

Lichtgetriggerter Thyristor

Die Erfindung bezieht sich auf einen lichtgetriggerten Thyristor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Lichtführung zum übertragen des Lichtes auf einen Lichtaufnahmeabschnitt eines Thyristorelementes. Eine herkömmliche Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt und ist später im einzelnen beschrieben. Unter Berücksichtigung der im Zusammenhang mit Fig. 1 später beschriebenen Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, diese zu beseitigen und einen lichtgetriggerten Thyristor mit einer großen dv/dt-Fähigkeit zu schaffen, und zwar unter Verwendung derselben Lichtquelle wie beim Stand der Technik, wobei allerdings die lichttriggernde Empfindlichkeit erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die sich aus dem Patentanspruch ergebenden Merkmale gelöst. Erfindungsgemäß wird eine innere Lichtführung verwendet, welche das Licht von einem Austrittsabschnitt mit kleinem Durchmesser abgeben

ARABELLASTRASSE 4 . D-SOOO MÖNCHEN 81 · TELEFON CO 89} 91 TO 87 · TELEX O5-S9619 CPATHE} · TELF.KOPIERER 9103

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indem das einfallende Licht entsprechend einem Kondensor konzentriert wird. Dadurch wird der Durchmesser des Lichtaufnahmeabschnittes des Thyristors minimal gehalten.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen lichtgetriggerten Thyristors und

Fig. 2 eine Schnittansicht einer inneren Lichtführung, die im lichtgetriggerten Thyristor als eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist.

In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein lichtgetriggertes Thyristorelement, 1a einen Lichtaufnahmeabschnitt, 2 und 3 Elektroden, 4 eine Packung, 5 eine Lichtquelle, 6 eine Lichtleitfaser (optische Faser), 7 eine innere Lichtführung mit einem konstanten Durchmesser, 71 ein Eintrittsende der inneren Lichtführung, 72 einen sich verjüngenden, insbesondere konisch verjüngenden Abschnitt, 73 einen gebogenen Abschnitt, 74 ein Austrittsende, r den Radius des Eintrittsendes, r den Radius des Austrittsendes, R den Radius des gebogenen Abschnittes, ß den Verjüngungswinkel des verjüngten Abschnittes, n- den Brechungsindex der inneren Lichtführung, θ den Eintrittswinkel zum Eintrittsende hinsichtlich der Normallinie.

Die innere Lichfcführung 7 besteht aus einer abgebogenen, transparenten Glasstange mit einem konstanten Durchmesser, welcher auf einer Packung 4 befestigt ist, um von der Lichtleitfaser 6 aufgenommenes Licht auf den Lichtaufnahmeabschnitt 1a des lichtgetriggerten Thyristorelementes 1 zu übertragen.

Für das Triggern des lichtgetriggerten Thyristors ist es notwendig, eine große Lichtenergie von einigen 10 mW auf den Lichtaufnahmeabschnitt 1a aufzubringen. Diesbezüglich ist es natürlich notwendig, nicht nur eine Lichtquelle mit einer hohen Energie vorzusehen, sondern auch eine Lichtleitfaser mit einer großen numerischen Öffnung und einem großen Durchmesser, um das Licht mit hoher Wirksamkeit und gutem Wirkungsgrad auf den lichtgetriggerten Thyristor zu übertragen. Es ist jedoch die Entscheidung hinsichtlich des Wertes der numerischen Öffnung bei einer optischen Faser aus Quarz mit einem geringen Lichttransmissionsverlust und einer großen mechanischen Festigkeit ein wenig begrenzt. Die numerische Öffnung einer derartigen Faser ist derzeit auf einen Wert von 0,3 begrenzt. Weiterhin ist bei einer Lichtleitfaser des Mehrkoraponententyps, die eher hinsichtlich des Lichttransmissionsverlustes und der mechanischen Festigkeit schlechter ist als die Lichtleitfaser aus Quarz, die numerische Öffnung auf den Wert 0,5 bis 0,6 begrenzt. Unter diesen Umständen muß der Durchmesser der Lichtleitfaser 6 vergrößert werden. Andererseits ist es bevorzugt, einen Durchmesser zu haben, der für den Lichtaufnahmeabschnitt 1a auf dem lichtgetriggerten Thyristor 1 so klein wie möglich ist, um die Kapazität auf eine dv/dt-Fähigkeit zu verbessern, und zwar bei Aufrechterhaltung einer guten Empfindlichkeit des lichttriggernden Vorganges, da die Empfindlichkeit des lichttriggernden Vorganges proportional zum Produkt der Kapazität zur dv/dt-Fähigkeit und dem Bereich· des Lichtaufnahmeabschnittes 1a ist.

Bei einem herkömmlichen lichtgetriggerten Thyristor mit einem konstanten Durchmesser der inneren Lichtführung wurde der Durchmesser der inneren Lichtführung 7 unter dem Gesichtspunkt des Ausgleiches zwischen dem Ausgang der Lichtquelle und der lichttriggernden Empfindlichkeit des lichtgetriggerten Thyristorelementes und der Kapazität zur dv/dt-Fähigkeit festgelegt. Dementsprechend .hat der herkömmliche lichtgetx-iggerte

Thyristor einen unerwünschten Nachteil dahingehend, daß für den Fall, daß die Lichtquelle und die lichttriggernde Empfindlichkeit festgelegt wurde, die Kapazität zur dv/dt-Fähigkeit nicht auf einen ausreichenden Wert erhöht werden kann, was zu einem begrenzten Beaufschlagungsbereich des lichtgetriggerten Thyristors führt.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine innere Lichtführung des lichtgetriggerten Thyristors als Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 2 bezeichnet neben den bereits beschriebenen Bezugszeichen das Bezugszeichen 8 ein eintretendes Licht.

Die Lichtführun-g besteht aus einem transparenten Material mit einem Brechungsindex n^ und ist von Stickstoffgas mit einem Brechungsindex 1 umgeben.

Es ist von Fig. 2 ersichtlich, daß das eintretende Licht 8 in das Lichteintrittsende 71 mit einem Winkel & hinsichtlich der Normallinie des Lichteintrittsendes 71 einfällt.

Die innere Lichtführung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist a» einer Packung 4 befestigt, so daß das Lichteintrittsende 71 an die Lichtleitfaser 6 angeschlossen und das Lichtaustrittsende 74 an den Lichtaüfnahmeabschnitt 1a auf ähnliche Weise angeschlossen ist, wie die innere Lichtführung des herkömmlichen Typs.

Es wird nun das Prinzip der vorliegenden Erfindung Bezug genommen. Das in das Lichteintrittsende 71 mit dem Eintrittswinkel & einfallende eintretende Licht wird innerhalb des sich verjüngenden Abschnittes 72 durch wiederholte innere Totalreflektion infolge der Differenz zwischen dem Brechungsindex η .j der inneren Lichtführung und dem Brechungsindex des Stickstoffgases übertragen, wenn der Eintrittswinkel θ ausreichend klein ist. Dann erreicht das Licht das Lichtaus-

trittsende 74 durch den gebogenen Abschnitt 73. Der Reflexionswinkel in der inneren Lichtführung ist im verjüngten Abschnitt 72 klein und wird noch kleiner im abgebogenen Abschnitt Es ist die Übertragung des eintretenden Lichtes durch innere Totalreflexion an jedem Abschnitt, einschließlich dem verjüngenden Abschnitt 72 und dem gebogenen Abschnitt 73 notwendig, daß der Reflexionswinkel am gebogenen Abschnitt 73

— 1 1 größer sein muß als der kritische Winkel &c - sin —

ⁿ1 für die innere Totalreflexion, welche bestimmt wird durch die Indizes der inneren Lichtführung und des Stickstoff gases.

Diesbezüglich muß die Gleichung der inneren Lichtführung folgender Ungleichung genügen:
15

·■■ X₁ \ sin cos"¹ -° SiH(Si₁T¹ Sü_i ♦!)-·!

Vl+-/ I^{1 n}i 2-M2

wobei die Ausdrücke in der vorgenannten Ungleichung dieselben sind wie in Fig. 2. n.. ist der Brechungsindex dor inneren Lichtführung.

Die obengenannte Ungleichung kann durch Eliminieren von Qi und θο und durch Erzielen von θ aus den folgenden drei Gleichungen abgegeben werden, sin θ = 1I₁ -sin Oi ist die Gleichung für den Zeitpunkt, an dem das eintretende Licht mit dem Eintrittswinkel· θ am Lichteintrittsende 71 hinsichtlich der Mittelachse in der inneren Lichtführung mit dem Brechungsindex n., gebrochen wird, und zwar mit dem Reflexionswinkel θϊ hinsichtlich der Mittelachse, r/r = sin(öi + ·»-)/sin

ß ο _ /.

(θο - "ο") ist die Gleichung zu der Zeit, zu der der meridiona-

-3j- Ie, mit θί hinsichtlich der Mittelachse zum sich verjüngenden

Abschnitt mit dem Neigungswinkel ß, dem Eintrittsradius r und dem Austrittsradius r einfallende Strahl vom sich verjüngenden Abschnitt mit dem maximalen Winkel &o hinsichtlich der Mittelachse abgegeben wird. (R + r)/sin(90 - θο) = (R - r)/sin &_, ist die Formel für den Zeitpunkt, zu dem das hinsichtlich der Mittelachse mit einem Eintrittswinkel von θο einfallende Licht, einfallend in den abgebogenen Abschnitt mit dem Biegeradius R hinsichtlich der Mittellinie am abgebogenen Abschnitt der Lichtführung mit dem Radius r.

Der Lichtstrahl wird zur Außenseite hin mit einem Reflexionswinkel θ hinsichtlich der Normallinie reflektiert.

Dies erfolgt unter der Bedingung, daß der Winkel θ , erhalten

durch Eliminieren der Winkel Θ1 und θο aus den obigen drei Gleichungen, gleich oder größer als der kritische Winkel

-1 1
&c (=sin — ) für die innere Totalre:

ⁿ1
mit einem Brechungsindex η. sein muß.

— 1 1
θ/c (=sin — ) für die innere Totalreflexion im Material

ⁿ1

Bei der obengenannten Ungleichung wird nur der meridionale Strahl betrachtet, welcher sich in der Ebene fortsetzt, weleher die Mitte des abgebogenen Abschnittes 73 und die Mittelachse der inneren Lichtführung einschließt. Diese Betrachtung ist voll ausreichend, da der Reflexionswinkel am gebogenen Abschnitt 73 im obengenannten Fall ein Minimum wird.

Bei der Ungleichung liegen fünf dimensionslose Parameter vor, und zwar der Eintrittswinkel θ des Lichtes, der Brechungsindex n^ der inneren Lichtführung, das Verhältnis r /r des Radius zwischen dem Lichteintrittsende und dem Lichtaustrittsende, der Verjüngungswinkel ß des sich verjüngenden Abschnittes 72 und der Radius r der inneren Lichtführung des gebogenen Abschnittes 73 und das Verhältnis r/R. Entsprechend der Ungleichung ist es bevorzugt, daß das Verhältnis r /r, der Verjüngungswinkel ß und das Verhältnis r/R klein ist.

BAD ORIGINAL

Ein Beispiel der Formation und der Dimension der Lichtführung wird nachfolgend erläutert. Entsprechend der vorstehenden Erwähnung hat die numerische bzw. zahlenmäßige Öffnung der Lichtleitfaser 6 eine Begrenzung; der Eintrittswinkel θ zur inneren Lichtführung wird durch diese Öffnung festgelegt; und der Eintrittswinkel & wird durch den Umkehrsinus dieser Öffnung repräsentiert. Dementsprechend ist der Eintrittswinkel Θ· nicht so groß, wenn die Lichtleitfaser aus Quarz besteht und die genannte Öffnung 0,3 beträgt. Der Eintrittswinkel & wird dann 17,5°.

Andererseits ist der Brechungsindex n., der inneren Lichtführung ungefähr 1,45, sogar wenn das Quarz mit einem niedrigen Brechungsindex für die innere Lichtführung verwendet wird.

Entsprechend der vorstehenden Feststellung ist der Radius r des Lichtaustrittsendes vorzugsweise klein, um die dv/dt-Fähigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die lichttriggernde Empfindlichkeit aufrechtzuerhalten. Dann stellt man das Verhältnis r /r zwischen den Radien des Lichteintrittsendes und des Lichtaustrittsendes auf den Wert 2 ein, und zwar unter Berücksichtigung des Erzielens einer vierfachen dv/dt-Fähigkeit unter Aufrechterhaltung derselben lichttriggernden Empfindlichkeit wie die des herkömmlichen Typs. Weiterhin wird das Verhältnis r/R zwischen dem Radius r der Lichtführung im gebogenen Abschnitt 73 und dem Biegeradius R des abgebogenen Abschnittes automatisch klein, wenn das Verhältnis r /r zwischen den Radien des Eintrittsendes und des Austrittsendes oberhalb von 1 liegt, sogar wenn der Biegeradius R derselbe wie beim herkömmlichen Typ ist.

Der minimale Biegeradius im gebogenen Abschnitt der konventionellen Lichtführung sollte ungefähr das 5,8-fache des Radius r der inneren Lichtführung (R - 5,8r = 5,8) aus-

BAD ORiGlNAL

machen, und zwar bei r /r = 1 (r = r = 1) ; ß = O; Eintrittswinkel θ = 17,5° und Brechungsindex η. = 1,45 der inneren Lichtführung in der obigen Ungleichung. Dann wird der Verjüngungswinkel ß unter 6,51, um der obengenannten Ungleichung zu genügen.

Dementsprechend kann in der inneren Lichtführung mit einer Öffnung von 0,3 der Lichtleitfaser 6 derselbe Radius des Eintrittsendes und derselbe Biegeradius am abgebogenen Abschnitt wie beim herkömmlichen Typ und ein Verjüngungswinkel ß- 6,5° des sich verjüngenden Abschnittes 72, und ein lichtgetriggerter Thyristor mit einer inneren Lichtführung mit einem halben Radius des Austrittsendes im Vergleich mit dem herkömmlichen Typ unter Aufrechterhaltung desselben Transparentverhältnisses wie das herkömmliche erzielt werden, wodurch der Bereich des Lichtaufnahmeabschnittes 1a des lichtgetriggerten Thyristors 1/4 reduziert und daher eine 4-fache dv/dt-Fähigkeit erzielt werden.

Weiterhin kann eine innere Lichtführung mit einem noch kleineren Radius des Austrittsendes erzielt werden, indem weiterhin der Verjüngungswinkel ß reduziert und der Biegeradius R des abgebogenen Abschnittes vergrößert wird.

Weiterhin bedeutet die Ungleichung, daß der minimale Reflexionswinkel groß wird, wenn der Wert der linken Seite der Ungleichung mehr als 1 wird. Dies hat die Wirkung einer Toleranz, wenn eine Reduktion des Reflexionswinkels durch Herstellungsfehler der inneren Lichtführung auftritt.

Die Ausführungsform wird hauptsächlich hinsichtlich der Anwendung auf innere Lichtführungen des lichtgetriggerten Thyristors erläutert. Die innere Lichtführung kann natürlich auch für Lichtkondensoren und insbesondere auch für Lichtkondensoren verwendet werden, die eine Linse benutzen.

BAD ORIGINAL

Die innere Lichtführung kann eine Lichtführung mit einem Kernglas und einem Stickstoffgas sein, welches einen höheren Brechungsindex hat als das Kernglas, wie dies bei herkömmlichen optischen Fasern bzw. Lichtleitfasern der Fall ist. In diesem Fall kann der Lichtverlust reduziert werden, welcher am Berührungsabscanitt mit der Packung 4 und durch Berührung zwischen der Lichtführung und dem Material mit einem hohen Brechungsindex und Lichtabsorptionseigenschaften führen kann.

Weiterhin ist die obengenannte Ungleichung eine solche zum Vorwärtsbringen des Lichtes durch eine innere Totalreflexion in der inneren Lichtführung. Die Reduzierung der Lichtintensität aufgrund der Leckage von Licht aus der Lichtführung hinsichtlich der Lichtintensität des gesamteintretenden Lichtes ist tatsächlich gering, obwohl sie von den Eigenschaften der Lichtquelle abhängt, sogar wenn die Lichtintensität um ungefähr 10 % reduziert wird, so daß es eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist, den Wert der linken Seite der obengenannten Ungleichung größer wird als ungefähr 1, und zwar mit einer Genauigkeit von 10 %.

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Claims (1)

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   Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha,
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   Lichtgetriggerter Thyristor

   Patentanspruch

   Lichtgetriggerter Thyristor, umfassend eine Lichtführung aus transparentem Material mit einem Brechungsindex n-, einem Lichteintrittsende (71) mit dem Radius r , einem Lichtaustrittsende (74) mit dem Radius r und einem abgebogenen Abschnitt (73) mit einem Biegeradius R, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtführung weiterhin zwischen dem Abschnitt mit dem Radius r und dem Abschnitt (73) mit dem Radius r einen sich verjüngenden Abschnitt (72) mit einem Verjüngungswinkel ß aufweist, und daß die Lichtführung der folgenden Ungleichung genügt, wenn ein Licht in das genannte Lichteintrittsende (71) mit einem maximalen Eintrittswxnkel θ hinsichtlich der Normallinie einfällt

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