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Anordnung zur Steuerung der Speisung von Wechselstromverbrauchern
über eine Ventilbrücke Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung
der Speisung eines Verbrauchers von einer Wechselstromquelle.
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Es ist bekannt, elektrische Leistungen mit Hilfe von Relais zu steuern.
Bei größeren Leistungen besteht jedoch die Gefahr, daß die Kontakte durch Lichtbogenbildung
oder Korrosion beschädigt werden, wodurch ein einwandfreies Arbeiten beeinträchtigt
werden könnte. Außerdem sind Relais in der Regel gegenüber Beschleunigungen und
Schwingungen empfindlich, so daß auch durch solche Einflüsse eine unerwünschte Beeinträchtigung
des Arbeitens eintreten kann.
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Das Aufkommen einer Halbleiterdiode mit einer solchen Charakteristik,
daß beim überschreiten eines gewissen speziellen Stromes und einer speziellen Spannung
in Rückwärtsrichtung die Diode hochleitfähig wird und danach einen hohen Strom in
Rückwärtsrichtung bei niedriger Spannung führt, hat zu vielen neuen elektronischen
Anwendungen geführt. Das oben beschriebene Phänomen ist kein Zenerzusammenbruch,
noch ist es ein Lawinenzusammenbruch. Diese einzigartige Zusammenbruchscharakteristik
kann unbeschränkt wiederholt werden. Dieser Zusammenbruch ist als ein hyperkonduktiver
Zusammenbruch bezeichnet worden, und eine Diode, welche eine solche Charakteristik
hat, wird im nachfolgenden als eine hyperkonduktive Diode angeführt werden.
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Solch eine hyperkonduktive Diode mit steuerbarer, umkehrbarer Zusammenbruchscharakteristik
oder einem hyperkonduktiven Zusammenbruch enthält ein erstes Basiselement, welches
aus einem Halbleiterkörper besteht, der mit einer Verunreinigung dotiert ist, um
eine erste Art der Halbleitfähigkeit, entweder N- oder P-Leitung zu schaffen. Auf
dieser ersten Basis ist ein Emitter angeordnet, welcher aus einem Halbleitermaterial
besteht, das mit der entgegengesetzten Type der Halbleitfähigkeit dotiert ist. Dieser
Emitter kann hergestellt werden durch Legierung einer Pille, welche eineDotierungsverunreinigung
enthält, mit einer Halbleitermaterialplatte, welche die erste Basis bildet. An der
Zone zwischen der ersten Basis und dem Emitter ist dann ein Emitterübergang vorhanden.
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Um die Einschaltung der Diode in eine elektrische Schaltung zu erleichtern,
ist eine Lage aus Silber oder einem anderen elektrisch gut leitenden Metall mit
der oberen Oberfläche des Emitters verschmolzen, in sie legiert oder mit ihr verlötet.
An dieser Lage können Kupferzuleitungsdrähte leicht angelötet werden. Eine zweite
Basis entgegengesetzten elektrischen Leitfähigkeitstyps ist nächst der ersten Basis
vorgesehen. Eine Zone, wo die erste und zweite Basis einander treffen, bildet einen
Kollektorübergang.
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Nächst der zweiten Basis ist eine Metallmasse vorgesehen, welche eine
Ladungsträgerquelle ist, die eine kritische Rolle in der Wirkungsweise der Diode
spielt. Diese Metallmasse kann neutral sein, oder sie kann denselben Dotierungscharakter
wie die zweite Basis haben. Die Metallnasse kann an der zweiten Basis durch einen
Löt-, Legierungs- oder Schmelzprozeß oder ein ähnliches Verfahren angebracht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung einer derartigen hyperkonduktiven
Halbleiterdiode bzw. eines Halbleiterstromtores ein neues elektronisches Schaltgerät
mit vorteilhaften Arbeitseigenschaften zu schaffen. Hierzu wird bei einer Anordnung
zur Steuerung der Speisung von Wechselstromverbrauchern über eine mit ihren Wechselstromklemmen,
mit der Spannungsquelle und dem Verbraucher in Reihe geschaltete Ventilbrücke, in
deren Gleichstromdiagonale ein steuerbares Halbleiterventil angeordnet ist, nach
der Erfindung als steuerbares Halbleiterventil ein Halbleiterstromtor verwendet,
welches nach überschreiten seiner Durchbruchspannung -die höher als die von der
Wechselstromquelle gelieferte
Spannung ist - in Rückwärtsrichtung
auch bei niedrigerer Spannung relativ hohe Ströme führt und das jeweils mit Hilfe
einer Hilfsspannungsquelle durch eine vorübergehend erhöhte Spannung durchgesteuert
wird.
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Die Verwendung eines steuerbaren Transistors in der Gleichstromdiagonale
einer Gleichrichterbrücke ist bereits im Zusammenhang mit einer Steuerdrossel, über
die ein Motor aus einer Wechselstromquelle gespeist wird, vorgeschlagen worden,
wobei die Steuerwicklung der Drossel an der Wechselstromdiagonale der Gleichrichterbrücke
angeschlossen ist.
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Es ist auch schon eine Anordnung beschrieben worden, bei der ein Verbraucher
über gittergesteuerte Entladungsröhren aus einem Wechselstromnetz mit Wechselstrom
gespeist wird, wobei der Wechselstrom durch zwischen Spannungsquelle und Verbraucher
angeordnete Gleichrichter in Graetzschaltung gleichgerichtet und über eine gittergesteuerte
Entladungsröhre geführt wird, durch deren Gittersteuerung die dem Verbraucher zugeführte
Spannung gesteuert wird.
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Ein besonderer Vorteil des neuen elektronischen Schaltgeräts besteht
darin, daß seine Arbeitsweise durch äußere Umstände, wie Vibrieren, Beschleunigung
oder Stöße, nicht beeinflußt wird. Außerdem kann eine verhältnismäßig große Schaltleistung
mit einem sehr geringen Aufwand an Steuerleistung beherrscht werden. Weitere zusätzliche
Verbesserungen und vorteilhaft in Verbindung mit der neuen Anordnung anwendbare
Einzelmerkmale werden anläßlich der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung an Hand von Zeichnungen dargelegt.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Apparates; Fig.2
ist ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel; Fig. 3 ist eine graphische
Darstellung der Arbeitskennlinien der hyperkonduktiven Diode.
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Das in Fig. 1 veranschaulichte schaltende Gerät enthält in allgemeiner
Hinsicht eine Wechselspannungsquelle 20 und eine Last, welche über einen Vollwellengleichrichter
30 angeschlossen ist. Eine hyperkonduktive Diode 40 und ein Impulskreis 10 sind
an die anderen beiden Klemmen des Vollwellengleichrichters 30 angeschlossen.
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Der Vollwellengleichrichter 30 enthält die Gleichrichter 31, 32, 33
und 34 in einer Brückenschaltung. Die elektrische Energiequelle 20 und die Last
50 sind mit der Brücke 30 in Reihe geschaltet. Die hyperkonduktive Diode 40 und
der Gleichrichter 14 sind zwischen den beiden gegenüberliegenden Gleichspannungsklemmen
der Brücke 30 in Reihe geschaltet. Der Impulskreis 20 besitzt Anschlußklemmen
11 und 12 für das Anlegen einer Steuergleichspannung an eine Kapazität 13
und den Gleichrichter 14.
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In Fig. 3 ist der Verlauf des Stromes in der Halbleiterdiode 40 in
Abhängigkeit von verschiedenen Spannungen dargestellt. Hierbei ist der Übersichtlichkeit
halber auf der linken Seite (Rückwärtsrichtung) ein zehnmal so großer Spannungsmaßstab
zugrunde gelegt als auf der rechten Seite (Vorwärtsrichtung). Wie aus dem rechten
oberen Quadranten dieses Diagramms zu ersehen ist, steigt beim Anlegen einer positiven
Spannung in der Größenordnung einer Einheit der Strom bis zu einem Wert von annähernd
3 Einheiten an. Wenn eine Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird, so tritt
bis zu einer Spannung von etwa 55 Einheiten nur ein sehr kleiner Strom - in der
Größenordnung eines Bruchteils einer Einheit - auf. Bei einer weiteren Steigerung
der Spannung wird die Diode plötzlich leitfähig, wobei an ihr dann nur noch ein
Spannungsabfall etwa in der Größenordnung einer Einheit auftritt, während der Strom
rasch ansteigt, wie der zum Teil gestrichelt in dem linken unteren Quadranten gezeichnete
Ast der Stromkurve erkennen läßt. Es kann also jetzt ein verhältnismäßig hoher Strom
durch die Diode bei sehr geringer Verlustleistung fließen. Sobald jedoch der Strom
einen bestimmten Mindestwert unterschreitet, hört die Leitfähigkeit der Diode auf.
Bei einem neuerlichen Anlegen einer entsprechenden Spannung kann das Spiel entsprechend
der gezeigten Kennlinie neuerlich durchlaufen werden.
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Es sei nun angenommen, die Größe der Spannungsspitze der Wechselspannungsquelle
20 liegt unterhalb des kritischen Zusammenbruchwertes der hyperkonduktiven Diode
40. Die Steuerspannung, welche an die Klemmen 11 und 12 angelegt ist, lädt
die Kapazität oder den elektrischen Energiespeicher 13 auf, welcher an den Gleichrichter
14 angeschlossen ist. Die Polarität der Steuerspannung, welche an die Klemmen 11
und 12 angelegt wird, hat, wie in Fig. 1 gezeigt, eine solche Richtung, daß sie
zu der Spannung in Rückwärtsrichtung der hyperkonduktiven Diode 40, welche durch
die Energiequelle 20 angelegt ist, hinzugefügt wird.
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Wenn die Leistungsquelle 20 die in Fig. 1 gezeigte Polarität
hat, so leiten die Gleichrichter 31 und 33 und verursachen, daß die Spannung der
Energiequelle 20 an der hyperkonduktiven Diode 40 in der Rückwärtsrichtung
erscheint. Die Steuerspannung wird an die Klemmen 11 und 12 angelegt, welche die
inverse Spannung an der hyperkonduktiven Diode 40 auf einen größeren Wert erhöht,
als die Zusammenbruchsspannung der hyperkonduktiven Diode 40 beträgt. Die hyperkonduktive
Diode 40 bricht dann zusammen, und die Spannung der Energiequelle 20 erscheint
dann über 31, 40, 14, 33 an der Last 50. Die hyperkoduktive Diode wird so lange
leiten, bis die Wechselspannung 20 auf Null zurückgeht. Zu diesem Zeitpunkt wird
die hyperkonduktive Diode in ihren anderen Zustand zurückgeführt, in welchem die
Spannung und der Strom an der Diode 40 unter die kritischen Werte herabgesetzt sind.
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Wenn die Spannung 20 beginnt, in der entgegengesetzten Richtung
zu der in Fig. 1 gezeigten Polarität anzuwachsen, werden die Gleichrichter 32 und
34 leiten und zur Folge haben, daß die Spannung von der Energiequelle
20 wieder an der hyperkonduktiven Diode 40 in Rückwärtsrichtung erscheint.
Die Steuerspannung kann wieder an die Klemmen 11 und 12 angelegt werden, und - wie
bereits früher beschrieben - wird die Spannung der Energiequelle 20, wenn die Größe
der Speisespannung und der zusätzliche Impuls von der Kapazität 13 den kritischen
Zusammenbruch der hyperkonduktiven Diode überschreiten, an der Last 50 erscheinen.
Ein Widerstand 15 kann mit dem Impulskreis 10 für Strombegrenzungszwecke beim Zusammenbruch
der Diode 40 in Reihe geschaltet werden.
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Wenn die Spannung an der Last 50 eine vollständige Sinusform sein
soll, so muß die hyperkonduktive Diode 40 jedesmal zusammenbrechen, wenn
die
Spannung 20 durch Null geht. Alles, was dann an dem Eingangssignal erforderlich
ist, besteht darin, daß jedesmal, wenn die Wechselspannung durch Null geht, eine
Spannung gleich der Zusammenbruchsspannung der hyperkonduktiven Diode für ein kurzes
Zeitintervall an der Kapazität 13 erscheinen muß.
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In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt,
in welchem gleichen Einzelteilen wie in Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen gegeben
worden sind. Fig. 2 weicht von der Fig. 1 nur darin ab, daß eine neue Impuls- oder
Zusammenbruchsschaltung 60 an die Stelle der Impulsschaltung 10 nach Fig. 1 gesetzt
worden ist. Die Zusammenbruchs- oder Steuerschaltung 60 enthält ein Schaltmittel
61, eine Gleichspannungsquelle 62 und ein Netzwerk aus der Parallelschaltung eines
ohmschen Widerstandes 63 und einer Kapazität 64, welches in Reihe mit der hyperkonduktiven
Diode 40 geschaltet ist.
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Die Arbeitsweise des in Fig. 2 veranschaulichten Apparates ist dieselbe
wie diejenige nach Fig. 1, abgesehen von dem Verfahren der Auslösung der hyperkonduktiven
Diode 40. In dem in Fig. 2 veranschaulichten Gerät wird eine Hilfssteuerspannung
von der Spannungsquelle 62 der gezeigten Polarität in Reihe mit einem großen
Widerstand 63 benutzt, um die hyperkonduktive Diode 40 immer im Zusammenbruchszustand
zu erhalten, wenn das schaltende oder Eingangsglied 61 geschlossen ist. Ist
die hyperkonduktive Diode 40 einmal zusammengebrochen, so ist nur ein kleiner
Strom notwendig, um den Zusammenbruchszustand an der hyperkonduktiven Diode
40 aufrechtzuerhalten, so daß dieses Verfahren zur Auslösung und Zündung
der Diode 40
sehr wirksam ist. Die Kapazität 64, welche zum Widerstand 63
parallel liegt, sichert den anfänglichen Zusammenbruch der hyperkonduktiven Diode
40, wenn der Schalter 61 geschlossen wird.
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Die hierin offenbarten Schaltungen sind für Ein-und Ausschaltungen
bei allen Leistungsbeträgen anwendbar. Ein solcher schaltender Apparat hat eine
viel größere Lebensdauer und erfordert weniger Wartung als Schaltapparate geläufiger
Art, wie Relais oder andere schaltende Apparate.
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Zum Schluß wird darauf hingewiesen, daß, obwohl die veranschaulichten
Ausführungsbeispiele praktische Verkörperungen der Erfindung darstellen, die gezeigten
Einzelheiten keine Beschränkung der Erfindung zum Ausdruck bringen sollen, da Abwandlungen
derselben, ohne vom Hauptgedanken der Erfindung abzuweichen, vorgenommen werden
können.