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Halbleiter-Gleichrichter für Wechselströme hoher Spannung und Frequenz
Bei Fernsehgeräten ist es üblich, die Beschleunigungshochspannung von etwa 10 bis
20 kV für den Kathodenstrahl der Bildröhre durch Gleichrichtung einer Wechselspannung
zu gewinnen, die vom Zeilentransformator geliefert wird. Die vom Zeilentransformator
abgegebene Spannung hat eine Frequenz von etwa 16 kHz. Da diese Spannung stark von
der Sinusform abweicht, also einen sehr hohen Oberwellenanteil besitzt, kann für
die Gleichrichtung sogar mit einer effektiven Frequenz von etwa 100 kHz gerechnet
werden. Die Verwendung einer Wechselspannung mit einer derart hohen Frequenz zur
Erzeugung der Beschleunigungsspannung hat den Vorteil, daß der für ihre Transformierung
und für die Glättung der gleichgerichteten Spannung erforderliche Aufwand sehr gering
ist. Als Hochspannungsgleichrichter für diesen Zweck werden bisher Röhrendioden
verwendet. Man hat seit langem versucht, die Röhrendioden durch einen Halbleiter-Hochspannungsgleichrichter,
z. B. einen Selen-Stabgleichrichter mit zahlreichen hintereinandergeschalteten Elementen,
zu ersetzen. Dabei zeigte sich jedoch in der Regel, daß die in der Nähe der Wechselspannungsklemme
1 liegenden Gleichrichterelemente unter überlastungserscheinungen zerstört wurden.
Nach überlegungen, die an Hand der F i g. 1 erläutert werden sollen, sind diese
Schwierigkeiten auf die Streukapazität des Gleichrichters gegenüber der Umgebung
zurückzuführen.
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Gemäß F i g. 1 ist an die Klemmen 1 und 2 eines Hochspannungstransformators
ein Halbleiter-Stabgleichrichter 3 in Reihe mit einem Verbraucher 4 angeschlossen.
Parallel zum Verbraucher 4 liegt ein Glättungskondensator 5. Zwischen der Säule
3 und der Umgebung besteht eine Streukapazität, die längs der Säule 3 in Teilkapazitäten
6 zerlegt gedacht werden kann. Bei den genannten hohen Frequenzen in der Größenordnung
von 10 bis 100 kHz fließen über diese Streukapazitäten erhebliche Verschiebungsströme,
die die Elemente der Säule 3 zusätzlich belasten, und zwar besonders die Elemente,
die in der Nähe der Wechselspannungsklemme 1 liegen. Dies ist gleichbedeutend damit,
daß das Wechselpotential längs der Säule 3 nicht gleichmäßig, sondern in der Nähe
der Klemme 1 zunächst steil, dann flacher abfällt.
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Die vorstehenden überlegungen sind bereits in der deutschen Patentschrift
1064 642 dargelegt. In der genannten Patentschrift ist ferner eine Selen-Gleichrichtersäule
für Wechselströme hoher Spannung und Frequenz beschrieben, bei der die genannten
Mängel dadurch beseitigt sind, daß mit ihrer wechselspannungsseitigen Anschlußklemme
ein glockenartiger Schirm verbunden ist, der sich zur Gleichspannungs= klemme hin
erweitert. Dieser Schirm bildet gegenüber den einzelnen Punkten der Gleichrichtersäule
Teilkapazitäten, die sich in Richtung zum Gleichspannungsanschluß vermindern und
die Potentialverteilung in Längsrichtung der Säule vergleichmäßigen.
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Die vorliegende Erfindung liefert eine weitere Lösung des Problems.
Sie besteht in der Verwendung einer Halbleiter-Gleichrichteranordnung mit einer
Vielzahl von in Säulenform angeordneten Gleichrichtertabletten, deren aktive Gleichrichterflächen
vom Wechselspannungsanschluß zum Gleichspannungsanschluß hin abnehmen, zur Gleichrichtung
von Wechselspannungen hohen Betrages (z. B. 5 kV und mehr) und hoher Frequenz (z.
B. 10 kHz und mehr).
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Halbleiter-Gleichrichteranordnungen mit mehreren in Säulenform hintereinandergeschalteten
Gleichrichterelementen, deren aktive Flächen in Sperrichtung oder in Flußrichtung
abnehmen oder zunehmen, sind an sich bekannt. Eine dieser Anordnungen wird als nichtlinearer
Widerstand benutzt, wobei die unterschiedliche Bemessung der aktiven Flächen die
Widerstandskennlinie bestimmt. Ein anderer Gleichrichter dieser Art dient zur Drehzahlregelung
eines Gleichstrommotors, wobei an den einzelnen Elementen des Gleichrichters Anzapfungen
vorgesehen sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Verwendung hat die oben definierte Anordnung
eine grundsätzlich andere Wirkungsweise. Sieht man zunächst von den Streukapazitäten
der Anordnung gegenüber der Umgebung ab, so ist ersichtlich, daß sich bei Sperrbelastung
der
Säule die Sperrspannung ungleichmäßig über dic Säule verteilt,
und zwar in dem Sinn, daß an den Tabletten in der Nähe des Wechselspannungsanschlusses,
die die größere aktive Fläche haben, eine kleinere Spannung abfällt als an den Tabletten,
die in der Nähe des Gleichspannungsanschlusses liegen. Die Potentialverteilung weist
also gegenüber dem erwünschten Spannungsabfall längs der Säule eine Abweichung auf,
die zu der von den Streukapazitäten bewirkten Abweichung entgegengesetzt ist. Berücksichtigt
man den Einfluß der unterschiedlichen Flächengrößen und den der Streukapazitäten
gleichzeitig, so ergibt sich, daß die beiden Wirkungen einander kompensieren. Entsprechend
sind bei Durchlaßbeanspruchung die Verluste in den hochbelasteten Tabletten auf
der Wechselspannungsseite durch deren größere Aktivfläche herabgesetzt. Es kann
also durch die Verwendung von Tabletten mit unterschiedlichen Aktivflächen gemäß
der Erfindung eine Annäherung an die erwünschte gleichmäßige thermische Belastung
all_ er Teile der Säule erreicht werden.
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Aus wirtschaftlichen Gründen wird es kaum möglich sein, die Aktivfläche
von z. B. 300 Tabletten kontinuierlich abnehmen zu lassen; es genügt jedoch durchaus,
die gesamte Säule in zwei oder drei Tablettenpakete zu unterteilen, die jeweils
Gleichrichtertabletten gleicher aktiver Fläche enthalten. Diese Tablettenpakete
können in unmittelbarer Aufeinanderfolge in einem einheitlichen Isolierstoffrohr
mit überall gleichem Querschnitt angeordnet sein. Man benutzt dann Tabletten, die
sämtlich die gleiche Bruttofläche besitzen, bei denen jedoch in an sich bekannter
Weise durch eine zwischen Selen- und Deckelektrode liegende Isolierstoffschicht
ein Teil der Gesamtfläche vom Stromtransport ausgeschlossen ist. Es kann jedoch
auch vorteilhaft sein, die Gleichrichteranordnung aus mehreren hintereinandergeschalteten
Teilgleichrichtern zusammenzusetzen, die jeweils Gleichrichtertabletten mit gleicher
Aktivfläche enthalten, wobei jedoch die Aktivflächen der Tabletten des in der Nähe
des Wechselspannungsanschlusses liegenden Teilgleichrichters jeweils größer sind
als die Aktivflächen eines zum Gleichspannungsänschluß hin liegenden Gleichrichters.
Die Aufteilung der Anordnung in mehrere -Teilgleichrichter ermöglicht es ferner,
den Gesamtgleichrichter raumsparend in einem Gerät unterzubringen, z.- B. indem
die Teilgleichrichter in Mäanderform angeordnet sind.
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Die F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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In F i g. 2 ist mit 10 ein rohrförmiges Isolierstoffgehäuse bezeichnet.
In dem Rohr 10 ist eine Säule 11 aus Selen-Gleichrichtertabletten angeordnet.
Mit 12 ist eine Druckfeder bezeichnet. Das Rohr 10 ist auf beiden Seiten durch schalenförmige
Verschlußstücke 13 bzw. 14 verschlossen; jedes Verschlußstück ist mit Zähnen versehen,
die nach außen federn und sich beim Einschieben in das Rohr 10 in die Wände des
Gehäuses eingraben. Die Verschlußstücke 13 und 14 laufen in Blechstreifen 13 a bzw.14
a aus, die die Anschlüsse der Gleichrichteranordnung bilden.
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Die Tablettensäule 11 ist aus Tabletten mit unterschiedlicher aktiver
Gleichrichterfläche aufgebaut. Im Bereich I, dessen Länge etwa ein Sechstel der
Gesamtlänge der Säule ausmacht, sind vollkontaktierte Tabletten verwendet. Diese
Tabletten bestehen gemäß F i g. 2 a aus einer Trägerplatte 15, einer Selenschicht
16 und einer Deckelektrodenschicht 17: Im Bereich II (etwa zwei Sechstel der Gesamtlänge)
sind teilkontaktierte Tabletten verwendet, deren aktive Fläche etwa ein Viertel
ihrer Bruttofläche beträgt. Sie bestehen gemäß F i g. 2 b aus einer Trägerplatte
15, einer Selenschicht 16, einer Isolierschicht 18, die in der Mitte einen kreisförmigen
Durchbruch 18' aufweist, und der Deckelelektrode 17. Die Isolierschicht 18 kann
in an sich bekannter Weise z. B. aus Lack oder Papier bestehen. Wie aus F i g. 2b
hervorgeht, bildet die Deckelektrode 17 nur im Bereich der Öffnung 18' mit der Selenschicht
16 Kontakt.
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Im Bereich IIi der Tablettensäule (drei Sechstel der Gesamtlänge)
sind ebenfalls teilkontaktierte Tabletten verwendet, bei denen jedoch die aktive
Fläche noch weiter, etwa auf ein Zehntel der Gesamtfläche, eingeschränkt ist. Die
Tabletten bestehen gemäß F i g. 2 c aus der Trägerplatte 15, der Selenschicht 16,
einer Isolierschicht 19 mit zentraler öffnung 19' und der Deckelektrode 17.
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Die unterschiedlichen Aktivflächen der Tabletten in den Bereichen
I, ff und IH sind in F i g. 2 durch Gleichrichtersymbole verschiedener Größe angedeutet.
Die äußeren Durchmesser bzw. die Bruttoflächen der Tabletten sind in allen drei
Bereichen gleich.
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In F i g. 3 ist in vereinfachter Form ein Gleichrichter dargestellt,
der aus drei hintereinandergeschalteten Teilgleichrichtern 20, 21 und 22 zusammengesetzt
ist. Der Aufbau der Teilgleichrichter 20, 21 und 22 ist im wesentlichen der gleiche
wie bei der Anordnung nach F i g. 2, mit dem Unterschied, daß jeder Teilgleichrichter
nur eine Tablettensorte enthält. Der Teilgleichrichter 20 enthält Tabletten mit
großer aktiver Fläche (etwa entsprechend F i g. 2 a), während der Teilgleichrichter
21 aus Tabletten mit mittlerer Aktivfläche (etwa entsprechend F i g. 2 b) und der
Teilgleichrichter 22 aus Tabletten mit kleiner Aktivfläche (etwa entsprechend F
i g. 2 c) aufgebaut ist. Die Teilgleichrichter liegen mäanderförmig nebeneinander,
so däß sich ein geringer Raumbedarf der Anordnung ergibt.
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Im Hinblick auf die unterschiedliche Beanspruchung der Teilgleichrichter
20, 21 und 22 kann mit Vorteil auch der Tabletten- und Gehäusedurchmesser beim Gleichrichter
20 größer gewählt werden als bei dem Gleichrichter 21 und bei diesem wieder größer
als beim Gleichrichter 22, so daß bei dem jeweils höher belasteten Teilgleichrichter
eine größere Außenfläche zur Wärmeabgabe zur Verfügung steht. In diesem Fall können
für die Teilgleichrichter jeweils vollkontaktierte Gleichrichtertabletten mit entsprechend
verschiedenen Durchmessern verwendet werden.