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Verfahren und Schaltungsanordnung zum elektrischen Formieren von Selengleichrichtern
Um den Sperrwiderstand von Selengleichrichtern und damit das Verhältnis von Vorwärtsstrom
zu Rückwärtsstrom zu vergrößern, wendet man bekanntlich eine sogenannte Formierung
an, die darin besteht, daß die fertiggestellten Gleichrichter für einige Zeit in
Sperrichtung einer Strombelastung ausgesetzt werden. Die bekannten Formierverfahren
weisen nun sämtlich Nachteile auf, die die Wirtschaftlichkeit einer neuzeitlichen
Großfertigung teils durch Energieverluste, teils durch hohe Ausschußzahlen erheblich
beeinträchtigen. So wird beispielsweise beim Formieren der Gleichrichter mit Wechselstrom
nur die den Gleichrichter in Sperrrichtung belastende Halbwelle des Stromes für
den Formierungsvorgang ausgenutzt. Der größte Teil der aufzuwendenden Energie geht
in dem für die Strombegrenzung in Durchlaßrichtung unerläßlichen Vorschaltwiderstand
ohne Nutzen für die Formierung verloren.
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Das Formieren mit Gleichstrom hat ebenfalls Nachteile. Da die Formierspannung
dauernd an der Sperrschicht liegt, kann bei Spannungen oberhalb I6 V infolge der
hohen Spannungsbelastung der Sperrschicht Stoßionisation an der Sperrschicht, damit
Erwärmung und schließlich lokale Zerstörung der Sperrschicht samt der Gegenelektrode
auftreten. Gleichrichterscheiben mit solchen Brandflecken auf der Gegenelektrode
sind für den Zusammenbau zu Säulen wegen der Kurzschlußgefahr nicht zu verwenden.
Außerdem ist ein gewisser Mindeststrom für den Formiervorgang notwendig. Der Gleichrichter
wird dabei so stark erwärmt, daß
zur Vermeidung einer unzulässigen
Erhöhung des Durchlaßwiderstandes und des Abschmelzens der Gegenelektrode ein Teil
der Wärme durch besondere Kühlung der Gleichrichter abgeführt werden muß. Das Formieren
mit Gleichstrom erhöht also Ausschüß und Energieverbrauch.
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Zur Vermeidung des erstgenannten Nachteiles der Gleichstromformierung
ist vorgeschlagen worden, die Gleichrichter mit pulsierendem Gleichstrom zu formieren.
Bei Anwendung der einfachsten Form des pulsierenden Gleichstromes, die man durch
Gleichrichtung von Wechselstrom in Doppelweg- oder Graetzschaltungen ohne besondere
Glättungsmittel erhält, werden trotz des zusätzlichen Aufwandes an Gleichrichtergeräten
und der damit verbundenen Energieverluste die beiden obengenannten Nachteile der
Gleichstromformierung keineswegs vermieden, weil die zu formierenden Gleichrichter
in beiden Halbperioden stark und dauernd in Sperrichtung belastet werden. Pulsierender
Gleichstrom, der durch Überlagerung einer Gleichspannung mit einer sinusförmigen
Wechselspannung entsteht, verringert zwar die Gefahr der Stoßionisation, erfordert
aber trotzdem noch zusätzliche Kühlung und bedingt einen komplizierten Apparat zu
seiner Erzeugung.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, das Formieren der Gleichrichter unter
Vermeidung der vorgenannten Nachteile der bekannten Formierverfahren wirtschaftlich
und ohne Energievergeudung bei gleicher Qualität des Gleichrichters durchzuführen.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die günstigste Kurvenform
des Stromes für die Formierung der Gleichrichter, nämlich eine von genügend langen
Pausen unterbrochene Belastung des zu formierenden Gleichrichters in Sperrichtung,
nicht durch zusätzliche Schaltelemente und damit der unvermeidlichen Ohmschen Widerstände
wegen mit Energieverlust zu erzeugen, sondern durch den zu formierenden Gleichrichter
selbst. Demgemäß werden gemäß der Erfindung beim elektrischen Formieren von Selengleichrichtern
unter Verwendung von Wechselstrom die zu formierenden Gleichrichter so gegensinnig
einander zugeordnet, daß die in Durchlaßrichtung der Gleichrichter erforderliche
Strombegrenzung durch zu formierende Gleichrichter bewirkt wird.
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In der einfachsten Form werden der Erfindung gemäß paarweise gegensinnig
hintereinandergeschaltete Gleichrichter benutzt. In der Fig. I ist beispielsweise
der Fall gezeigt, daß der durch einen zu formierenden Selengleichrichter A in Durchlaßrichtung
fließende Wechselstrom durch einen zweiten ebenfalls zu formierenden Selengleichrichter
B, der mit dem ersten gegensinnig in Reihe geschaltet ist, begrenzt wird. Dieser
zweite Gleichrichter B wird dann in derselben Halbperiode, in der der Gleichrichter
A in Durchlaßrichtung belastet wird und mithin seine Formierpause hat, in Sperrichtung
belastet und formiert. Der Gleichrichter B (und entsprechend in der nächsten Halbperiode
der Gleichrichter A) übernimmt also die Aufgabe, die bei dem bekannten Formierverfahren
mit Wechselstrom der Ohmsche Vorschaltwiderstand hat, mit dem bedeutenden Vorteil,
daß die bei dem bekannten Verfahren dabei nutzlos verlorene Energie bei dem Verfahren
nach der Erfindung zur Formierung des strombegrenzenden Gleichrichters ausgenutzt
wird. Die beiden Gleichrichter A und B werden dabei trotz der scheinbaren Serienschaltung
unabhängig voneinander formiert. Die Kurvenform des Stromes entspricht völlig den
Bedingungen, die zur Vermeidung von Stoßionisation an den Formierstrom zu stellen
sind. Auf eine starke Sperrbelastung zur Formierung in einer Halbperiode folgt eine
ebensolange Formierpause.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. I ist angenommen, daß zwei Gleichrichter
A und B gegensinnig in Reihe geschaltet sind. Es ist jedoch durchaus möglich, auch
mehr als zwei Gleichrichter mit entsprechendem Richtungssinn in Reihe zu schalten.
So können z. B. an Stelle des einen Gleichrichters A zwei Gleichrichter mit gleichem
Richtungssinn hintereinandergeschaltet und ebenso statt des Gleichrichters B zwei
ebenfalls gleichsinnig hintereinandergeschaltete Gleichrichter benutzt werden und
die beiden Gleichrichtergruppen dann gegensinnig in Reihe geschaltet werden.
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Besonders vorteilhaft werden die Gleichrichter so geschaltet, daß
einem Stromkreis, bestehend aus zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Gleichrichtern
A und B, ein solcher aus zwei mit umgekehrtem Richtungssinn gegensinnig in Reihe
geschalteten Gleichrichtern C und D (Graetzschaltung) parallel geschaltet ist, wie
dies die Fig. 2 zeigt. Bei einer solchen Anordnung der Gleichrichter hat man den
Vorteil, daß das Fortschreiten der Formierung durch den Anstieg der zwischen den
beiden Mittelpunkten M1 und M2 der Reihenschaltungen auftretenden Gleichspannung
angezeigt wird. Das Gleichspannungsmeßgerät V kann dabei den einzelnen Graetzschaltungen
fest zugeordnet oder auch wahlweise anschaltbar sein.
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Der Vorteil des Formierverfahrens nach der Erfindung gegenüber dem
bekannten Formierverfahren mit Wechselstrom liegt in der bedeutenden Energieersparnis
und in der Erhöhung der Fertigungskapazität. Alle bei dem alten Verfahren im Vorschaltwiderständ
zur Begrenzung des Durchlaßstromes nutzlos vergeudete Energie wird bei dem Verfahren
nach der Erfindung zum Formieren des zweiten Gleichrichters ausgenutzt. Zudem fällt
in Sperrichtung der durch den Spannungsabfall im Vorwiderstand hervorgerufene Energieverlust
weg, so daß die gesamte Ersparnis an Energie mehr als die Hälfte beträgt. Wenn man
bedenkt, daß je nach der Herstellungsart der Gleichrichter etwa o,5 bis 2 Wattst=den
je Quadratzentimeter wirksame Fläche zum Formieren erforderlich sind, so ergibt
das eine sehr ins Gewicht fallende Energieersparnis. Durch hie Ausnutzung beider
Halbwellen kann in der gleichen Zeit wie bei dem alten Verfahren die doppelte Anzahl
von Gleichrichtern! formiert werden.
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Die Nachteile der bekannten Formierung mit Gleichstrom werden,,durch
das Verfahren nach der Erfindung völlig vermieden. Die Kurvenform des
Stromes
verhindert die Stoßionisation und mithin Brandflecke und erhöhten Ausschuß. Da der
Gleichrichter bei dem neuen Verfahren nur in einer Halbperiode in Sperrichtung belastet
ist, entfällt jede über das gewünschte Maß hinausgehende Erwärmung. Eine Kühlung
der Gleichrichter wie bei der Gleichstromformierung ist dadurch unnötig. Der Wegfall
der zusätzlichen Kühlung bedeutet eine erhebliche Ersparnis an aufzuwendender Formierleistung.
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Die Kurvenform des Formierstromes ist bei dem Verfahren nach der Erfindung
noch günstiger als bei dem bekannten Verfahren mit pulsierendem Gleichstrom. Während
bei diesem der Gleichrichter während der ganzen Periode in Sperrichtung nur in wechselndem
Maße belastet ist, ist bei dem Verfahren nach der Erfindung die Formierzeit gleichmäßig
und selbsttätig periodisch wechselnd in Belastungszeit und Erholungspause aufgeteilt.
Neben der völligen Vermeidung der Gefahr der Stoßionisation und damit der Durchschläge
ist auch eine zusätzliche Kühlung der Gleichrichter unnötig geworden und mithin
Formierenergie eingespart. Eine weitere Energieersparnis gegenüber dem bekannten
Verfahren ergibt sich dadurch, daß die erwünschte günstigste Kurvenform ohne jeden
Aufwand an Schaltelementen aus technischem Wechselstrom in der Formierungsschaltung
selbst erzeugt wird.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung gegenüber
allen bekannten Verfahren liegt in der einfachen Kontrolle des Formiervorganges
durch die Schaltung nach Fig. 2. Selbst wenn ein und dieselbe Stromquelle viele
solcher parallel geschalteten Vierergruppen speist, so ist der Formiervorgang für
jede Vierergruppe getrennt zu beobachten. Bei den bekannten Verfahren kann man nur
den Gang sämtlicher parallel geschalteten Gleichrichter in der Gesamtheit verfolgen.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung, insbesondere
gegenüber der Formierung mit pulsierendem Gleichstrom, besteht in der Möglichkeit,
die Spannung einfach und verlustfrei zu regeln. Zu Beginn des Formierens wird eine
Spannung von etwa Io V an den Gleichrichter gelegt. Sie muß dann im Laufe des Formierens
fortschreitend bis zu einer die Betriebsspannung des Gleichrichters wesentlich übersteigenden
Spannung, beispielsweise 3o V, gesteigert werden. Das ist bei dem Verfahren nach
der Erfindung mit einem Regeltransformator praktisch verlustfrei und stufenlos durchzuführen,
und zwar für die gesamte Formieranlage oder auch für größere Gruppen von Gleichrichtern.
Statt des Regeltransformators oder gleichzeitig damit kann auch der Formiervorgang
durch einen Ohmschen Widerstand selbsttätig geregelt werden. Dieser Ohmsche Widerstand
kann dabei in der Wechselstromzuleitung angeordnet sein oder auch jedem Gleichrichterpaar
bzw. jeder Schaltungskombination zugeordnet sein. In der Sperrichtung des Gleichrichters
steigt bei fortschreitender Formierung der Sperrwiderstand an. An der Serienschaltung
aus konstantem Ohmschem Widerstand und variablem Sperrwiderstand des Gleichrichters
steigt daher automatisch die Spannung am Gleichrichter an. Die Anstieggeschwindigkeit
kann durch entsprechende Wahl der Wechselspannung und der Größe dies Widerstandes
eingestellt werden.