DE1038178B - Schaltungsanordnung zur Leistungs-Gleichrichtung eines Wechselstromes - Google Patents

Description

werden; wird diese Temperatur überschritten, so 9

wächst der Sperrstrom steil an, so daß die Anord-

nung ihre gleichrichtenden Eigenschaften verliert und anordnung nach der Erfindung bestehen vor allem infolge der hohen Sperrströme durch Überhitzung darin, daß sie auch bei sehr niedrigen Spannungen beschädigt oder zerstört werden kann. Diese. Tempe- noch mit einem befriedigenden Gleichrichtungsraturgrenze liegt für Germanium in der Nähe von verhältnis betrieben werden kann und daß ihre zu-60° C, was unerwünscht niedrig ist; Silizium hat 30 lässige Maximaltemperatur weit höher liegt als beä ebenfalls eine recht genau definierte, obwohl höhere den bekannten Halbleiter-Dioden, Temperaturgrenze. Ein anderer Nachteil der Dioden,- Es ist bereits ein Phasendetektor unter Verwendung

Gleichrichter ist der, daß ihr Gleichrichtungs- eines symmetrischen Transistors bekanntgeworden, verhältnis bei sehr niedriger Spannung recht klein dessen Schaltung eine formale Ähnlichkeit mit dem wird, so daß sie bei solchen Spannungen nicht be- 35 Gegenstand der vorliegenden Erfindung aufweist. Die friedigend arbeiten, bekannte Schaltung hat den Zweck, einen Phasen-

Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß bei unterschied zweier voneinander unabhängiger Wechsaleiner Schaltungsanordnung zur Leistungs-Gleichrich- Spannungsquellen nachzuweisen. Dabei ist die eine tung eines Wechselstromes als gleichrichtendes Spannungsquelle zwischen die beiden Außenelek-Schalteüement ein Transistor mit mindestens zwei 40 troden, die andere Spannungsquelle zwischen die eine Zonen des gleichen Leitfähigkeitstyps und einer Außenelektrode und die Basis des Transistors ge-Zwischenzone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps schaltet, Der Strom zwischen den beiden Außenverwendet ist, indem zwei der mit je einer dieser elektroden, liefert ein Maß für den Phasenunterschied Zonen verbundenen Elektroden zwischen Wechsel- der beiden Spannungsquellen. Es handelt sich aber Spannungsquelle und Gleichstromverbraucher in Reihe 45 bei dem bekannten Phasendetektor nicht um die Verliegen und zwischen einer dieser beiden Elektroden wendung eines Transistors zur Leistungs-Gleich- und der dritten Elektrode eine Steuerwechsel- richtung im Sinne der vorliegenden Erfindung, für spannung liegt, die gleichzeitig mit der Wechsel- die es wesentlich ist, daß die Steuerspannung des Spannungsquelle ihr Vorzeichen wechselt und die Transistors stets gleichphasig mit der Speisespannung einen derartigen Betrag hat, daß der Strompfad zwi- 50 verläuft. Vor allen Dingen wird auch die Erkenntnis, sehen den beiden erstgenannten Elektroden des Tran- daß ein entsprechend gesteuerter Transistor wesent-

sistors bei ihrer einen Polarität gesperrt ist und sich
bei ihrer anderen Polarität im Sättigungszustand der
Leitfähigkeit befindet. Die Vorteile der Schaltungs-

liche Vorteile gegenüber den üblichen Halbleiter-Dioden aufweist, durch die bekannte Schaltung nicht nahegelegt.

809 6WV218

Weitere Vorteile der Erfindung werden sich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ergeben.

Fig. 1 stellt in schematicher Form eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, und die

Fig. 2, 3, 4 und 5 zeigen in ähnlicher Weise abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält eine Wechselspannungsquelle 1 irgendeiner bekannten Art, welche zur Speisung einer Last 2 dient. Die Last 2 stellt einen Gleichstromverbraucher beliebiger Art dar. Zur Gleichrichtung der von der Wechsel spannungsquelle 1 abgegebenen Ausgangsleistung wird ein Transistor 3 benutzt. Der Transistor 3, der entweder vom Ül)ergangsflächentyp oder vom Spitzenkontakttyp sein kann, besitzt eine Basiselektrode 5, eine Kollektorelektrode 6 und eine Emitterelektrode 7. Kollektor- und Emitterelektrode sind mit der Wechselspannungsquelle 1 in Reihe geschaltet zur Speisung der Last 2, welche an jeder der beiden Seiten des Transistors angeschlossen sein kann. Die Quelle 8 einer Steuerwechselspannung ist zwischen die Basiselektrode 5 und die Kollektorelektrode 6 des Transistors 3 eingeschaltet. Die Steuerspannungsquelle 8 liefert vorzugsweise eine rechteckförmige Spannungsquelle, wie es in der Zeichnung angedeutet ist; die Spannung der Steuerspannungsquelle 8 hat dieselbe Frequenz wie die der Wechselspannungsquelle 1 und ist mit dieser synchronisiert. Die Steuerspannungsquelle 8 kann z. B. ein elektronischer Oszillator beliebiger Art sein; es kann aber auch jede andere Wechselspannungsquelle verwendet werden, welche eine rechteckförmige Welle liefert und mit der Spannung der Wechselspannungsquelle 1 genau synchronisiert werden kann.

Zur Erklärung der Wirkungsweise dieser Schaltung wird angenommen, daß der Transistor 3 ein Transistor vom p-n-p-Typ ist, also aus einem Halbleiterkörper besteht, wie z. B. Germanium oder Silizium, der zwei Zonen von p-leitendem Material aufweist, die durch eine Zwischenzone von n-leitendem Material getrennt sind. Die Basiselektrode 5 ist mit der Zwischenzone vom η-Typ verbunden,, und die Kollektor- bzw. Emitterelektroden 6 bzw. 7 sind mit den Zonen vom p-Typ verbunden. Wenn die Basiselektrode 5 einer solchen Anordnung sowohl gegenüber der Kollektor- wie der Emitterelektrode positiv gemacht wird, kann kein Strom durch den Transistor fließen, abgesehen von einem äußerst kleinen Sperrstrom, weil die Basis in der Sperrichtung beider p-n-Übergänge vorgespannt und der Transistor gesperrt ist. Wenn die Basis gegenüber einer der beiden anderen Elektroden negativ gemacht ist, kann über den entsprechenden Übergang ein Strom in Vorwärtsrichtung zur Basis fließen; dieser Strom hat die Wirkung, daß der andere Übergang entsperrt wird, so daß ein Strom in der umgekehrten Richtung durch diese fließen kann, wie bei der normalen Betriebsweise des Transistors. Der Transistor ist dann leitfähig, und ein Strom kann zwischen der Kollektor- und der Emitterelektrode fließen.

Wenn nun die Augenblickspolaritäten der Wechselspannungsquelle 1 und der Steuerspannungsquelle 8 in einem gegebenen Augenblick den in Fig. 1 eingetragenen entsprechen, so ist es ersichtlich, daß die Basis 5 des Transistors sowohl dem Kollektor als auch dem Emitter gegenüber positiv ist; der Transistor ist daher gesperrt, so daß kein Strom von der Wechselspannungsquelle 1 zur Last 2 fließen kann, abgesehen von dem kleinen Sperrstrom; der Kreis ist praktisch offen, wobei die Spannung der Wechselspannungsquelle 1 am Transistor 3 liegt.

Wenn in der folgenden Halbwelle die Polarität der .Wechselspannungsquelle 1 sich umkehrt, kehrt sich die Polarität der Steuerspannungsquelle 8 in demselben Zeitpunkt um, da sie mit der Wechselspannungsquelle 1 synchronisiert ist. Die Basis 5 ist dann, bezüglich des Emitters 7 negativ, und der Transistor 3 leitet, wie oben erläutert, so daß Strom von der Wechselspannungsquelle 1 zur Last 2 fließen kann. Die Spannung der Steuerspannungsquelle 8 wird so gewählt, daß der Transistor gesättigt ist; d. h. daß der Strom zwischen, Kollektor und Emitter unabhängig von der Größe der Steuerspannung ist. Der Flußspannungsabfall am Transistor ist dann sehr klein, so daß praktisch die gesamte Spannung der Wechselspannungsquelle 1 an der Last 2 liegt.

Man erkennt, daß, da die Polaritäten der Wechselspannungsquelle 1 und der Steuerspannungsquelle 8 in aufeinanderfolgenden Halbwellen sich umkehren, der Transistor 3 abwechselnd leitend und gesperrt ist, so daß nur während der Halbwellen einer Polarität Strom zur Last fließen kann. Auf diese Weise wird ein gleichgerichteter Strom an die Last geliefert.

Die Anordnung hat zahlreiche Vorteile. Der Transistor hat einen wesentlich kleineren Sperrstrom als der gewöhnliche Dioden-Gleichrichter und einen sehr niedrigen Flußspannungsabfall im Vergleich mit der gewöhnlichen Diode. Daher ist während der Perioden der Leitfähigkeit die Spannung am Transistor äußerst niedrig, wobei der Strom recht hoch sein kann, so daß die vom Transistor verbrauchte Leistung klein ist. Während der Sperrperioden kann die Spannung am Transistor hoch sein; der Strom ist jedoch äußerst klein, so daß wiederum die verbrauchte Leistung sehr klein ist. Da der Transistor plötzlich von einem Zustand zum anderen übergeht, wenn die rechteckförmige Steuerspannung ihre Polarität ändert, ist der fortdauernde Leistungsverbrauch oder der Verlust im Transistor sehr klein, und ein hoher Wirkungsgrad wird erreicht.

Eine Folge dieser niedrigen Verluste ist es, daß die Anordnung große Leistungsbeträge ohne Überhitzung steuern kann, so daß sie auch bei sehr viel höheren Temperaturen betrieben werden kann, als sie bei Halbleiter-Dioden erlaubt sind. Es kann, wie oben angedeutet, eine Germaniumdiode bei Temperaturen erheblich oberhalb 60° C nicht sicher betrieben werden, aber ein Germaniumtransistor, der in der beschriebenen Weise zur Gleichrichtung verwendet wird, kann bei sehr viel höheren Temperaturen, die erheblich oberhalb von 100° C liegen können, sicher betrieben werden. Eine ähnlich große Steigerung der Maximaltemperatur wird bei Silizium erreicht. Dies ist ein sehr wichtiger Vorteil der Erfindung.

Außer den obenerwähnten Vorteilen, welche diesen Transistor-Gleichrichterkreis für Hochleistungsbetrieb sehr geeignet machen, hat er den weiteren wichtigen Vorteil, daß er bei sehr niedrigen Spannungen verwendet werden kann. Wie früher erläutert, hat ein Dioden-Gleichrichter keine befriedigenden Gleichrichtungseigenschaften bei Spannungen unterhalb von etwa 1 Volt. Der oben beschriebene Transistor-Gleichrichterkreis behält jedoch ein hohes Gleichrichtungsverhältnis und eine praktisch lineare Charakteristik bis herunter zu äußerst niedrigen Spannungen; er kann befriedigend verwendet werden bei Spannungen von weniger als 1 Millivolt. Dieser Gleichrichterkreis ist daher geeignet für zahlreiche Anwendungen, sowohl für hohe Leistung als auch für

niedrige Spannung, wo Dioden-Gleichrichter bisher nicht verwendbar waren oder erheblichen Beschränkungen unterlagen.

Wie oben beschrieben, liefert die Steuerspannungsquelle 8 von Fig. 1 vorzugsweise eine rechteckförmige Spannungsquelle, die den Transistor veranlaßt, plötzlich aus dem leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand überzugehen. Bei vielen Anordnungen kann jedoch mit befriedigenden Ergebnissen eine sinusförmige Steuerspannung verwendet werden, und wo dies möglich ist, kann die Steuerspannung mit Vorteil der Wechselstromquelle entnommen werden, welche gleichgerichtet werden soll. Dies ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung, da die, Notwendigkeit wegfällt, eine getrennte Steuerspanungsquelle einschließlich Mitteln vorzusehen, die sie mit der gleichzurichtenden Spannung synchronisieren.

Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird die Last 2 von einem Transformator 10 mit einer Primärwicklung 11 und zwei Sekundärwicklungen 12 und 13 gespeist. Die Primärwicklung 11 ist an eine Wechselstromquelle angeschlossen, und die Sekundärwicklung 12 ist mit dem Kollektor 6 und dem Emitter 7 des Transistors 3 zur Speisung der Last 2 in Reihe geschaltet. Bei dieser Ausftihrungsform der Erfindung wird die Steuerspannung von der Sekundärwicklung 13 des Transformators 10 geliefert, welche zwischen der Basis 5 und dem Kollektor 6 des Transistors 3 angeschlossen ist. Offensichtlich ist die Wirkungsweise dieses Kreises genau die gleiche wie die nach Fig. 1, abgesehen davon, daß de Steuerspannung dem Transistor entnommen ist, welcher die Last speist, so daß sie daher in den meisten Fällen eine sinusförmige Spannung ist. Diese Anordnung ist jedoch einfacher als die nach Fig. 1, weil die Notwendigkeit einer besonderen Quelle synchronisierter Steuerspannung wegfällt. Die Wirkungsweise und. die Vorteile dieses Kreises sind dieselben, die oben in Verbindung mit Fig. 1 besprochen wurden.

Fig. 3 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche keine getrennte Steuerspannungsqualle erfordert. Bei dieser Ausführungsform wird die Steuerspannung von einem Widerstand 15 geliefert, der zwischen der Basis 5 und dem Kollektor 6 des Transistors 3 angeschlossen ist. Da die Spannung an diesem Widerstand von, der Spannung der Wechselspannungsquelle 1 abgeleitet ist, ist ersichtlich, daß sie notwendigerweise mit dieser im Synchronismus ist und daß die Arbeitsweise dieses Kreises ähnlich derjenigen der oben beschriebenen Kreise ist, abgesehen davon, daß die Verluste etwas größer sein können infolge des Verlustes im Widerstand 15. Die Wirkungsweise und Vorteile jedoch sind dieselben wie oben beschrieben.

Es ist ersichtlich, daß in allen beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung die Basis des Transistors im Synchronismus mit der gleichzurichtenden Spannungsquelle gesteuert ist, damit die Polarität der Basis umgekehrt wird, wenn die Polarität der Quelle sich umkehrt, und daß in den dargestellten besonderen Ausfühningsbeispielen die Basis auf diese Weise die gleiche Polarität beibehält wie der Kollektor. Die Steuerspannung könnte jedoch ebensogut zwischen die Basis und den, Emitter gelegt werden, damit die Basis auf derselben Polarität gehalten wird wie der Emitter; oder allgemein, die Steuerspannung könnte zwischen irgend zwei der drei Elektroden liegen, wobei eine dieser beiden und die dritte Elektrode in Reihe mit der Quelle geschaltet sind. Die Wirkungsweise des Wechselns des Transistors von dem leitenden zu dem nichtleitenden Zustand und zurück zum leitenden Zustand, wenn die Polarität der Wechselspannungsquelle 1 wechselt, würde dieselbe sein wie oben beschrieben. Es ist außerdem zu beachten, daß, obwohl die Erfindung oben mit Beziehung auf die Wirkungsweise eines p-n-p-Übergangstransistors beschrieben wurde, ein Transistor des n-p-n-Typs oder ein Spitzenkontakttransistor in demselben Kreis verwendet werden könnte.

Es ist ersichtlich, daß verschiedene Abwandlungen der Schaltung innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. Eine solche Abwandlung ist in Fig. 4 dargestellt; sie kann — falls erwünscht — zur weiteren Herabsetzung des Sperrstromes verwendet werden. Bei dieser Abwandlung ist ein Spannungsteiler 16 an die Wechselspannungsquelle 1 angeschlossen, und der Kollektor 6 des Transistors 3 ist mit einer Anzapfung 17 des Spannungsteilers verbunden. Der Rest des Kreises kann wie oben beschrieben, beschaffen sein, und ein Widerstand 18 ist dargestellt, der die Steuerspannung in der in Fig. 3 dargestellten Weise liefert; dabei kann jedoch offensichtlich die Steuerspannung auch nach der in Fig. 1 oder Fig. 2 dargestellten Weise geliefert werden. Diese Schaltung hat die Wirkung, daß die am Transistor 3 und der Last 2 liegende Spannung herabgesetzt wird; selbst eine kleine Herabsetzung der Spannung verursacht eine wesentliche Herabsetzung des Sperrstromes, so daß der Sperrstrom, welcher ohnehin äußerst klein ist, bis auf einen praktisch vernachlässigbaren Wert zurückgeht. Diese Schaltung hat außerdem den Vorteil, die Spannung herabzusetzen, welche der Transistor während der Sperrperioden aushalten muß.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches Mittel enthält, die Maximalspannung am Transistor während der Sperrzeit zu begrenzen. In dieser Schaltung sind der Transistor 3 und die Last 2, wie oben beschrieben, in Reihe mit der Wechselspannungsquelle 1 geschaltet; die Steuerspannung wird von einem Widerstand 20 geliefert in der Weise, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, obwohl sie ebensogut in der Art von Fig. 1 oder Fig. 2 geliefert werden könnte. Zwei Batterien 21 und 22 oder andere geeignete unipolare Spannungsquellen sind so geschaltet, daß die Batterie 21 zwischen der Kollektor- und der Basiselektrode liegt und die Batterie 22 zwischen der Kollektor- und der Emitterelektrode liegt, wobei die beiden Batterien so verbunden sind, daß ihre Spannungen sich addieren und die Polarität der Batterien so gerichtet ist, daß sie der Spannung der Wechselspannungsquelle 1 während der Halbwellen, in denen der Transistor 3 gesperrt ist, entgegenwirkt. Gleichrichter 23 und 24 sind in Reihe mit jeder der Batterien 21 und 22 geschaltet; sie sind so gerichtet, daß sie den Stromfluß aus den Batterien sperren. Die Gleichrichter 23 und 24 können Halbleiter-Dioden oder elektrische Ventile beliebiger anderer Art sein.

Die Wirkungsweise dieses Kreises ist bei Sperrung des Transistors 3 die gleiche wie oben, beschrieben, bis der Augenblickswert der Spannung der Wechselspannungsquelle 1 die Summe der Spannungen der Batterien 21 und 22 überschreitet. An diesem Punkt, wenn die Spannung der Quelle die Batteriespannung überschreitet, fließt Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Batterie, da die Gleichrichter 23 und 24 einen Stromfluß in dieser Richtung erlauben; der Transistor 3 wird umgangen und ist gegen zu

hohe Spannungen geschützt. In der folgenden HaIbwelle, wenn der Transistor leitend ist, verhindern die Gleichrichter 23 und 24 einen Stromfhiß aus den Batterien 21 und 22. Auf diese Weise wird der Transistor davor geschützt, eine Spannung zu erhalten, die größer ist als die Summe der Spannungen der Batterien 21 und 22; er kann daher bei einer Wechselspannungsqueile 1 verwendet werden, deren Spannung einen Maximalwert erreicht, der größer ist als die Maximalspannung, die der Transistor mit Sicherheit aushalten kann.

Durch die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird somit der bedeutende Vorteil erzielt, daß die Temperaturgrenze, die eine ernste Erschwerung bei der Verwendung von Halbleitergleichrichtern gewesen ist, ganz erheblich erhöht werden kann. Weitere Vorteile ergeben sich durch die niedrigen Verluste und den niedrigen Sperrstrom der beschriebenen Schaltungsanordnung sowie durch die Möglichkeit, mit sehr niedrigen Spannungen zu arbeiten, ao

Obwohl ein einfacher Halbwellengleichrichterkreis dargestellt worden ist, ist es ersichtlich, daß eine Mehrzahl von Transistoren in einer Brückenschaltung verbunden und wie beschrieben gesteuert werden könnte, so daß eine Vollweggleichrichtung erreicht würde. Die Erfindung ist daher nicht auf die dargestellten besonderen Ausführungsbeispiele beschränkt; sie umfaßt vielmehr in ihrem Rahmen alle äquivalenten Abwandlungen und Verkörperungen.

30

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Leistungs-Gleichrichtung eines Wechselstromes, dadurch gekennzeichnet, daß als gleichrichtendes Schaltelement ein Transistor mit mindestens zwei Zonen des gleichen Leitfähigkeitsryps und einer Zwischenzone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps verwendet ist, indem zwei der mit je einer dieser Zonen verbundenen Elektroden zwischen Wechselspannungsquelle und Gleichstromverbraucher in Reihe liegen und zwischen einer dieser beiden Elektroden und der dritten Elektrode eine Steuerwechselsparmung liegt, die gleichzeitig mit der Wechselspannungsqueile ihr Vorzeichen wechselt und die einen derartigen Betrag hat, daß der Strompfad zwischen den beiden erstgenannten Elektroden des Transistors bei ihrer einen Poiairidie die

tat gesperrt ist und sich bei ihrer anderen Polarität im Sättigungszustand der Leitfähigkeit befindet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannung eine Fremdspannung mit vorzugsweise rechteckförmiger Wellenform verwendet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung von der Wechselspannungsqueile abgeleitet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung an der Primärwicklung eines Transformators mit zwei Sekundärwicklungen liegt, von denen
eine die Steuerspannung liefert, während
andere den Verbraucher speist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode über einen Widerstand an einen Pol der Wechselspannungsqueile angeschlossen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus den beiden Elektroden und dem Verbraucher über einen Spannungsteiler von der Wechselspannungsqueile gespeist wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Reihenschaltung je zweier Elektroden des Transistors eine Spannungsbegrenzungsschaltung liegt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungsschaltung aus der Reihenschaltung eines Ventils und einer Gleichspannungsquelle besteht, wobei die Fluß richtung des Ventils der Gleichspannung entgegengerichtet ist und der Sperrrichtung des Transistors entspricht.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche:, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Transistoren in einer Brückenschaltung verwendet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 882 103;

französische Zusatzpatentschrift Nr. 38 744 (zum Hauptpatent 649 432);

Zeitschrift »Electronic Engineering« vom September 1953, S. 361.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 6OO/2IS 9.54