DE1018535B

DE1018535B - Device for converting electrical energy impulses into impulses of shorter duration and higher power

Info

Publication number: DE1018535B
Application number: DES43450A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Helmut Schwab
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1955-04-09
Filing date: 1955-04-09
Publication date: 1957-10-31

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Aufgabe, elektrische Energieimpulse in solche von kürzerer Dauer und höherer Leistung umzuwandeln, insbesondere auf die Aufgabe, Gas- oder Dampfentladungsgefäße mit Hilfe von Transistoren zu steuern. Ein verhältnismäßig großer Zündleistungsbedarf liegt vor allem bei zündstiftgesteuerten Entladungsgefäßen vor, wie sie beispielsweise in der Schweißtechnik verwendet werden. Transistoren können aber ohne weiteres nur mit verhältnismäßig geringer Leistung im Verhältnis zu der zur Zündung eines Ignitron« erforderlichen Leistung belastet werden.The invention relates to the task of converting electrical energy pulses into those of shorter duration and higher power , in particular to the task of controlling gas or vapor discharge vessels with the aid of transistors. A relatively large ignition power requirement is present above all in the case of ignition-pin-controlled discharge vessels, such as those used in welding technology, for example. However, transistors can only be loaded with relatively little power in relation to the power required to ignite an Ignitron.

Würde man das Prinzip der Kondensatorladung und -entladung verwenden, d. h. würde man, wie in Fig. 1 dargestellt, einen Kondensator 1 über einen Ladewiderstand 2 aufladen und den Kondensator über einen Transistor 3 entladen, indem man diesen plötzlich aufmacht, so müßte gerade durch den Transistor die ganze Zündleistung gesteuert werden. Auch ein zwischen Transistor 3 und Entladungsgefäß 5 geschalteter Transformator 4 würde daran nichts ändern, sondern höchstens zusätzlich Verluste bedingen, die ebenfalls vom Transistor gedeckt werden müßten.If one were to use the principle of capacitor charge and discharge, i. H. one would, as in Fig. 1, charge a capacitor 1 via a charging resistor 2 and the capacitor via Discharge a transistor 3 by suddenly opening it, so would have to go straight through the transistor the entire ignition power can be controlled. Also one connected between transistor 3 and discharge vessel 5 Transformer 4 would not change anything, but at most cause additional losses, which would also have to be covered by the transistor.

Nun handelt es sich meist darum, Energieimpulse zwar hoher Leistung, jedoch nur kurzer Dauer zu erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist die erwähnte Zündung von Ignitronen. Es steht daher der Weg offen, die vom Transistor steuerbare Leistung, d. h. diejenige Leistung, die er ohne unzulässige Eigenerwärmung steuern kann, über längere Zeit zu integrieren und dann in einem kurzen Impuls abzugeben.Now it is mostly a matter of generating energy pulses of high power, but only for a short time produce. An example of this is the aforementioned ignition of ignitrons. The way is therefore open the power controllable by the transistor, d. H. the power that he can achieve without inadmissible self-heating can control to integrate over a longer period of time and then to release in a short impulse.

In Anlehnung an eine bekannte Schaltung mit einer Elektronenröhre (deutsche Patentschrift 677 824) wird man zu diesem Zweck eine Reihenschaltung aus einem Transistor und einer Sättigungsdrosselspule verwenden, die eine im Verhältnis zu ihrer Sättigungsinduktion geringe Remanenz hat und sich entsprechend der Aussteuerung des Transistors aufmagnetisiert. Die gewünschten EnergieimpUilise treten als Überspannungsimpuäse an der Drosselspule dann auf, wenn der Transistor plötzlich gesperrt wird. Man wird also den Transistor mit einem vorgegebenen Wert kontinuierlich aussteuern und diese Aussteuerung in dem Augenblick unterbrechen, in dem der Energieimpuls gewünscht wird. Die Drosselspule wird vorteilhaft mit einer Sekundärwicklung zum Anschluß des Verbrauchers versehen. Durch das Windungszahlverhältnis dieser Sekundärwicklung zur eigentlichen Drosselspulenwicklung können Spannung und Strom des Impulses in gewünschter Weise beeinflußt werden. Es ist vorteilhaft, für den Kern der Drosselspule einen Werkstoff zu wählen, bei dem der Unterschied zwischen S ättigungs induktion und Remanenz möglichst Einrichtung zum UmwandelnBased on a known circuit with an electron tube (German patent specification 677 824) For this purpose, a series circuit consisting of a transistor and a saturable inductor is used use which has a low remanence in relation to its saturation induction and accordingly the modulation of the transistor magnetized. The desired energy impulses occur as overvoltage impulses at the choke coil when the transistor is suddenly blocked. So you will continuously modulate the transistor with a predetermined value and this modulation in the Interrupt the moment in which the energy pulse is desired. The choke coil becomes advantageous provided with a secondary winding for connecting the consumer. By the number of turns ratio this secondary winding to the actual inductor winding can voltage and current of the Impulse can be influenced in a desired manner. It is beneficial to have one for the core of the reactor To choose a material in which the difference between saturation induction and remanence is possible Device for converting

von elektrischen Energieimpulsenof electrical energy pulses

in solche von kürzerer Dauerin those of shorter duration

und höherer Leistungand higher performance

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Helmut Schwab, Nürnberg,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Helmut Schwab, Nuremberg,
has been named as the inventor

groß ist, da dieser Unterschied die Größe der von der Drossel im Impuls abgebbaren Energie bestimmt. Es kommen beispielsweise sogenannte Cu-Ni-Fe-Ausscheidüngsisoperme und Fe-Ni-Texturisoperme in Frage. Die Spannung ist außerdem um so größer, je plötzlicher der Transistor zum Sperren gebracht werden kann, d. h. je weniger Trägheit er besitzt. Zur näheren Erläuterung ist im folgenden wieder auf die Zeichnung Bezug genommen.is large, since this difference determines the size of the energy that can be emitted by the throttle in the pulse. It For example, so-called Cu-Ni-Fe precipitation isoperms come and Fe-Ni texture isoperms in question. The tension is also greater the more suddenly the transistor can be turned off, d. H. the less indolence he has. To the For a more detailed explanation, reference is again made to the drawing below.

Fig. 2 zeigt s'chematiseh das Prinzip der Impulsumwandlung. Ein Transistor 3 in n-p-n-Ausführung liegt in Reihe mit der Wicklung 6 einer Sättigungsdroisselspule, deren Eisenkern mit 7 bezeichnet ist, und in Reihe mit einem Widerstand 8 an einer nicht mit dargestellten Gleichspannungsquelle. Wird den Eingangsklemmen 9 des Transistors 3 eine Steuerspannung zugeführt, so¹ wird der Transistor durchlässig, und der durch den Transistor fließende Strom magnetisiert die Drosselspule 6 auf. Der Widerstand 8 begrenzt dabei den Magnetisierungsstrom. Wird die Aussteuerung des Transistors 3 dann plötzlich unterbrochen, so- verlagert sich — vgl. die Magnetisierungskurve nach Fig. 3 ■— der Drosselspulenarbeitspunkt, der sich im Abschaltaugenblick im Punkte I befunden haben möge, infolge des zu Null werdenden Drosselspulenstromes in den Punkt II. Die dabei durchlaufene Induktionsdifferenz AB = B₁- B₁₁ bestimmt die Höhe des auftretenden Spannungsimpulses. Die Größe der speicherbaren Energie hängt von der Dimensionierung der Drosselspule und des Kernes ab. Die Impulsspannung kann entweder unmittelbar an2 schematically shows the principle of pulse conversion. A transistor 3 in npn design is in series with the winding 6 of a saturation inductor, the iron core of which is denoted by 7, and in series with a resistor 8 at a DC voltage source, not shown. If a control voltage is fed to the input terminals 9 of the transistor 3 ^{, the transistor 1} becomes conductive and the current flowing through the transistor magnetizes the choke coil 6. The resistor 8 limits the magnetizing current. If the control of transistor 3 is suddenly interrupted, then - see the magnetization curve according to Fig. 3 - the choke coil operating point, which may have been at point I at the moment of switch-off, shifts to point II as a result of the choke coil current becoming zero. The induction difference AB = B ₁ - B ₁₁ passed through determines the magnitude of the voltage pulse that occurs. The size of the storable energy depends on the dimensioning of the inductor and the core. The pulse voltage can either be applied immediately

7CD 75Ρ.Ί717CD 75Ρ.Ί71

der Drosselspule 6 oder, wie dargestellt, an einer Sekundärwicklung 10 zur Speisung eines an sich beliebigen Verbrauchers entnommen werden.the choke coil 6 or, as shown, on a secondary winding 10 for feeding one per se can be taken from any consumer.

So einfach und naheliegend zunächst der Ersatz der Röhre in der Anordnung nach der deutschen Patentschrift 677 824 durch einen Transistor erscheint, so stellen sich der praktischen Ausführung einer solchen Schaltung doch ganz erhebliche Schwierigkeiten in den Weg. Dies hat seinen Grund darin, daß bei derSo simple and obvious to begin with is the replacement of the tube in the arrangement according to the German patent specification 677 824 appears through a transistor, the practical implementation of such a problem must be presented Circuit but quite considerable difficulties in the way. The reason for this is that the

diesem Zweck wird in den Eingangskreis des Transistors ein zur Strombegrenzung dienender konstant ausgesteuerter Hilfstransistor gelegt, so daß der Arbeitsstrom, der mit dem Aufmagnetisierungsstrom identisch ist, immer die gleiche Größe hat. Es ist dann nur noch darauf zu achten, daß die Aufmagnetisierungen gleiche Dauer aufweisen, was ohne weiteres der Fall ist, wenn zur Steuerung des Transistors Halbwellen einer Wechselspannung dienen. Schwan-for this purpose, a current limiting element is used in the input circuit of the transistor Modulated auxiliary transistor placed, so that the working current that with the magnetizing current is identical, always has the same size. It is then only necessary to ensure that the magnetizations have the same duration, which is readily the case when controlling the transistor Half-waves of an alternating voltage are used. Swan-

Verwendung von Transistoren auf jeden Fall ein io kungen dieser Wechselspannung wirken sich nichtUse of transistors definitely does not affect this AC voltage

Durchschlag bzw. eine Zerstörung verhindert werden mehr störend aus.Breakdown or destruction prevented are more disruptive.

muß, welche durch Überschreitung der Sperrspannung Um auch andere- Einflußgrößen zu erfassen (hierzu des Transistors eintritt. Bei Elektronenröhren ist diese gehört beispielsweise auch eine Frequenzänderung der Forderung bei weitem nicht so kritisch, da in der genannten Wechselspannung), sind spannungsab-Regel immer noch ein gewisser Spielraum für Anoden- 15 hängige Widerstände bzw. Ventile vorgesehen, welche Überspannungen vorhanden ist. etwa noch auftretende Überspannungen ableiten. Bei Transistoren dagegen muß man, um sie wirt- Durch die Begrenzung des Arbeitsstromes des Transchaftlich auszunutzen, mit der Betriebssperrspannung sistors werden diese spannungsabhängigen Mittel im so knapp wie möglich an die Durchbruchspannung allgemeinen nicht in Tätigkeit treten müssen, was herangehen. Die zulässige Maximalsperrspannung ist 20 vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit einen erheb-must, which by exceeding the reverse voltage in order to also record other influencing variables (see of the transistor occurs. In the case of electron tubes, this includes, for example, a change in frequency Requirement by far not as critical, as it is in the AC voltage mentioned), are voltage-down rule there is still a certain amount of leeway for anode 15-pendent resistors or valves, which Overvoltages are present. Discharge any overvoltages that may still occur. In the case of transistors, on the other hand, one has to do this by limiting the operating current of the Transchaftlich to exploit, with the operating blocking voltage sistor, these voltage-dependent means are im as close as possible to the breakdown voltage in general do not have to go into action approach. The maximum permissible reverse voltage is 20, from the point of view of economy, a considerable

dadurch definiert, daß der von ihr verursachte Sperrstrom bei der größten zulässigen Erwärmung des Transistors noch so klein sein muß, daß die durch Kühlung abgeführte Wärme größer als die durchdefined by the fact that the reverse current caused by it at the greatest permissible heating of the The transistor must be so small that the heat dissipated by cooling is greater than that by

liehen Vorteil bedeutet. Ihr Wirksamwerden ist ja mit einem Leistungsverlust verbunden.borrowed advantage means. Their coming into effect is associated with a loss of performance.

Besondere Bedeutung hat die Erfindung, wie bereits eingangs erwähnt, wenn die Impulsstromwand-The invention is of particular importance, as already mentioned at the beginning, when the pulse current wall

Schalten entstehende oder zumindest dieser gleich ist. 25 lung zum Zwecke der Steuerung eines Entladungs-Wie ein Blick auf Fig. 3 zeigt, hängt die Induktions- gefäßes, insbesondere eines Ignitrons, verwendet differenz AB vor allem von der im Zuge der Aufmagnetisierung erreichten Feldstärke H der Drosselwird. Eine hierzu geeignete Schaltung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Dort ist an die Sekundärwicklung 10 der Drossel 6 ein Ignitron 5 angeschlossolange die Sättigung des Kernmaterials noch nicht 3° sen, in dessen Zündstromkreis ein Begrenzungswidererreicht ist, auch die Induktionsdifferenz und damit stand 13 liegt. Dem Steuereingang des Transistors 3Switching arising or at least this is the same. 25 development for the purpose of controlling a discharge As a glance at FIG. 3 shows that induction depends vessel, in particular a Ignitrons, difference AB used the throttle is mainly on the achieved during the magnetizing field strength H. A circuit suitable for this is shown schematically in FIG. There, an Ignitron 5 is connected to the secondary winding 10 of the choke 6 as long as the saturation of the core material is not yet 3 ° sen, in whose ignition circuit a limitation has been reached, and the induction difference and thus 13 is also. The control input of transistor 3

spule ab. Ändert sich diese Endfeldstärke, so wird,unwind. If this final field strength changes, then

die Höhe des Spannungsimpulses der Drossel schwanken. Es kann leicht der Fall eintreten, daß auf diese Weise die zulässige Sperrspannung des Transistors überschritten wird, so daß es zu einer dauernden Veränderung von dessen Sperrschicht, d. h. zum Durchbruch kommt. Hierfür genügt unter Umständen bereits eine einmalige Überschreitung der Sperrspannung, da der Durchbruch, wenn er einmal einge-the level of the voltage pulse of the choke fluctuate. It can easily happen that on this way the permissible reverse voltage of the transistor is exceeded, so that it becomes a permanent Modification of its barrier layer, d. H. comes to a breakthrough. This may be sufficient for this the reverse voltage has already been exceeded once, since the breakdown, once it has occurred

wird eine periodisch Null werdende Steuerspannung über einen Hilfstransistor 11 zugeführt. Diese besitzt erfindungsgemäß eine konstante Aussteuerung über den Widerstand 14 und begrenzt den Steuerstrom für den Transistor 3, der beispielsweise von einer sinusförmigen Spannung geliefert wird. Dem Transistor 3 werden dadurch annähernd rechteckför-a control voltage which periodically becomes zero is supplied via an auxiliary transistor 11. This owns according to the invention a constant modulation via the resistor 14 and limits the control current for the transistor 3, which is supplied, for example, by a sinusoidal voltage. To the Transistor 3 are thus approximately square-shaped

mige Steuerspannungsimpulse zugeführt. Ein Widerleitet ist, bei jedem folgenden Impuls bis zur völligen 40 stand 15 parallel zu den Eingangsklemmen des Tran-Zerstörung des Transistors fortgesetzt wird.moderate control voltage pulses supplied. A redirect is, with each following pulse up to a full 40 stood 15 parallel to the input terminals of the Tran-Destruction of the transistor is continued.

Zur Vermeidung dieser Durchbräche kann die übliche Absicherung von Stromkreisen, beispielsweise mit thermischen Sicherungen, nicht genügen, da derTo avoid these breakthroughs, the usual fuse protection of circuits, for example with thermal fuses, not enough because the

Der Magnetkern 7 der Drosselspule 6 magnetisiert sich, solange der Transistor 3 geöffnet ist, beständig auf und gibt seine Energie an die Sekundärwicklung 10 ab, wenn der Steuerstrom Null wird. Um ein peri-The magnetic core 7 of the choke coil 6 is magnetized continuously as long as the transistor 3 is open and gives its energy to the secondary winding 10 when the control current is zero. To a peri-

sistors 3 dient zum Vorbeileiten des Steuerstromes des Transistors 11. Er führt bei Steuerspannung Null oder negativer Steuerspannung keinen Hauptstrom, so daß die Emitter-Basis-Strecke des Transi-Sistor 3 is used to bypass the control current of the transistor 11. It leads to control voltage Zero or negative control voltage no main current, so that the emitter-base path of the transi-

Durchbruchstrom meist wesentlich kleiner ist als der 45 stors 3 hochohmig ist. zulässige Durchlaßstrom — im vorliegenden Fall der
Aufmagnetisierungsstrom — und damit noch innerhalb des von der Sicherung zugelassenen Stromes
liegt. Abgesehen davon sind Sicherungen im allgemeinen zu träge, um eine Zerstörung des Transistors 50 odisches Zünden bei einem bestimmten Phasenwinkel zu verhindern. der an dem Entladungsgefäß 5 liegenden Betriebs-Breakdown current is usually much smaller than the high resistance 45 stors 3. permissible forward current - in the present case the
Magnetizing current - and thus still within the current permitted by the fuse
lies. Apart from this, fuses are generally too slow to prevent destruction of transistor 50 or ignition at a certain phase angle. of the operating equipment lying on the discharge vessel 5

Die Induktionsdifferenz A B und der entsprechende spannung zu erzeugen, muß die den Transistor 3 Spannungsimpuls hängen, wenn auch in geringerem steuernde Spannung in bekannter Weise die gleiche Maße, auch noch von anderen Einflußgrößen, beispiels- Frequenz wie die Betriebsspannung des Entladungsweise den Verhältnissen im Impulsstromkreis, von der 55 gefäßes haben und zu dieser in einer festen Phasen-Umgebungstemperatur usw. ab. beziehung stehen. Durch Änderung der Phasenlage Um nun die Anwendung von Transistoren zur der Steuerspannung kann der Zündzeitpunkt des Ent-Impulswandlung zu ermöglichen, wird gemäß der ladungsgefäßes 5 verschoben werden. Im dargestellten Erfindung vorgeschlagen, Mittel vorzusehen, die ein** Beispiel ist die Verschiebung des Zündwinkels durch unzulässige Sperrspannungsbelastung des Transistors 60 eine einstellbare Spannungsquelle 12 angedeutet, verhindern. Man erreicht auf diese Weise, daß ohne Gemäß der Erfindung ist ferner zur VermeidungTo generate the induction difference AB and the corresponding voltage, the transistor 3 voltage pulse must depend, even if in a lower controlling voltage in a known manner the same extent, also from other influencing variables, for example frequency as the operating voltage of the discharge mode the conditions in the pulse circuit, from the 55 vessel and to this in a solid phase ambient temperature, etc. from. relationship. By changing the phase position In order to now enable the use of transistors for the control voltage, the ignition time of the de-pulse conversion is shifted according to the charge vessel 5. In the illustrated invention, it is proposed to provide means which, as an example, prevent the shift of the ignition angle due to impermissible blocking voltage loading of the transistor 60, an adjustable voltage source 12. It is achieved in this way that without According to the invention is also to avoid

Gefährdung für den Transistor dieser voll ausgenutzt und die maximal mögliche Impulshöhe erzielt werden kann.Endangerment for the transistor this fully exploited and the maximum possible pulse height can be achieved can.

Gemäß den obigen Ausführungen sind zur Begrenzung der Sperrspannungsbelastung des Transistors zwei verschiedene Maßnahmen zu treffen. Vor allem ist es vorteilhaft, die Endfeldstärke der Drosselspule konstant zu halten, so daß die Induktions-According to the above, to limit the reverse voltage load on the transistor to take two different actions. Above all, it is advantageous to adjust the final field strength of the choke coil to be kept constant so that the induction

von Überspannungen im Sperrzustand des Transistors 3 ein spannungabhängiger Widerstand 16 parallel zur Drosselspule 6 vorgesehen. Durch diesen Widerstand wird erreicht, daß die Amplitude des entstehenden Impulses nicht größer werden kann, als es die zulässige Sperrspannung des Transistors 3 gestattet. Der Widerstand 16 kann beispielsweise aus einer Reihe von hintereinandergeschalteten Trockenof overvoltages in the blocking state of the transistor 3, a voltage-dependent resistor 16 in parallel provided for choke coil 6. This resistance ensures that the amplitude of the resulting Impulse can not be larger than the permissible reverse voltage of the transistor 3 allows. The resistor 16 can, for example, consist of a series of dryers connected in series

differenz A B im wesentlichen immer gleichbleibt. Zu 70 gleichriohterzellen bestehen.difference AB essentially always remains the same. Consist of 70 cells of the same ruler.

Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 4 gestrichelt dargestellt, zur Verhinderung einer Überbeanspruchung des Transistors 3 in Sperrichtung statt des spannungsabhängigen Widerstandes 16 einen Gleichrichter zu verwenden, der in Sperrichtung au einer höheren Spannung liegt als die mit + bezeichnete· Klemme des Drosiselspulenstromkreises. Beim Überschreiten der zulässigen Impulsspannung wird das Ventil durchlässig und leitet die Spannung ab.However, it is also possible, as shown in dashed lines in FIG. 4, to prevent overstressing of the transistor 3 in the reverse direction instead of the voltage-dependent resistor 16 one To use a rectifier which is at a higher voltage in the reverse direction than the one marked with + Inductor circuit terminal. When the permissible pulse voltage is exceeded the valve is permeable and dissipates the voltage.

Statt des dargestellten n-p-n-Transistors können selbstverständlich, auch Transistoren anderen Typs oder andere steuerbare Halbleiter bei entsprechender Schaltungsabwandlung Verwendung finden. Durch die Erfindung erzielt man in jedem Fall einen Schutz des Halbleiters vor Zerstörung.Instead of the n-p-n transistor shown, transistors of other types can of course also be used or other controllable semiconductors can be used if the circuitry is modified accordingly. Through the According to the invention, protection of the semiconductor against destruction is achieved in any case.

Claims

Patent claims:

1. Device for converting electrical energy pulses into shorter ones Duration and higher power using a series connection of one switching element and a choke coil which has a low remanence in relation to the saturation induction and magnetizes itself according to the modulation of the switching element, characterized in that, that when using a transistor or another controllable semiconductor as a switching element Means are provided which prevent impermissible reverse voltage stress on the semiconductor.

2. Device according to claim 1, characterized in that in the input circuit of the transistor a constantly controlled auxiliary transistor serving to limit the current is located, wherein the working voltage of the auxiliary transistor consists of a voltage that periodically becomes zero.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that voltage-dependent resistors, In particular, valves are used to limit the reverse voltage of the transistor.

Considered publications:
German patent specification No. 677 824.

1 sheet of drawings

7: 9 7E3.-1T1 10.57