DE1513858A1

DE1513858A1 - Stromversorgungssteuerschaltungen

Info

Publication number: DE1513858A1
Application number: DE1965G0042773
Authority: DE
Inventors: Howell Edward Keith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-02-07
Filing date: 1965-02-06
Publication date: 1969-06-12
Also published as: GB1083421A; US3310687A

Description

General Electric Company, Schenectady, N.Y., U.S.A,

Stromversorgungssteuerschaltungen

Die Erfindung betrifft Schaltungen zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom. Sie ist besonders auf die Anwendung zweiweggleichrichtender Kristallhalbleiter gerichtet, mit denen die Amplitude und Frequenz des Wechselstroms gesteuert wird, der einer last zugeführt werden soll.

Die ständige Zunahme elektrisch betriebener Geräte auf allen Arbeitsgebieten hat die Aufmerksamkeit auf die Stromversorgungsvorrichtungen dieser Geräte gerichtet. Dabei ist klar, daß nicht nur die Erzeugung elektrischer Energie, sondern auch ihre Übertragung in geeigneter Form zu einem Verbraucher wichtig ist. Dementsprechend wurden beträchtliche Anstrengungen gemacht, um Schaltungen zu entwickeln, mit denen die Stromversorgung verschiedenster Lastschaltungen möglich ist. Unter den vielen Gesichtspunkten, unter denen die Auswahl irgendeiner besonderen Stroiiiversorgungsschaltung erfolgen muß, ist besonders der Kostenfaktor ausschlaggebend. Die Kosten kann man einteilen in Herstellungskosten, Betriebskosten und Wartungskosten. Weitere ausschlaggebende Faktoren sind der Platzbedarf der Schaltung, die Umwelteinflüsse während des Betriebs, die Störanfälligkeit und der Wirkungsgrad, mit denen die Schaltung die gewünschten Aufgaben erfüllt.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Stromversorgungssteuerschaltung mit niedrigen Kosten, ge-

909824/0715

ringen Ausmaßen und hoher Zuverlässigkeit; zu schaffen.

Aus leicht ersichtlichen Gründen ist es wünschenswert, hohe Leistungen mit geringem Verlust in der Steuerschaltung steuern zu können. Leistungsverluste können sowohl durch die verwendeten Bauelemente selbst,als auch durch die Vielzahl der erforderlichen Bauelemente erhöht werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Leistunüssteuerschaltung zu schaffen, die auf leistungsschwache Signale anspricht und doch verhältnismäßig hohe Energien steuert.

Ferner ist ein anderes Ziel der Erfindung eine verbesserte Stromversorgungssteuerschaltung, die ein Minimum an Bauelementen hoher Zuverlässigkeit und mit verhältnismäßig niedrigem Leistungsverbrauch enthält. Die neuerdings entwickelten Halbleiterbauelemente ermöglichen es, elektrische Schaltungen mit hoher Zuverlässigkeit, kleinen Abmessungen und geringes Verlustleistung zu schaffen. Auf dem Gebiet der Stromversorgung und -steuerung bietet der steuerbare Siliziumgleichrichter besondere Vorteile. Steuerbare Siliziumgleichrichter sind im allgemeinen Halbleitergleichrichter mit drei Anschlüssen und lassen sich von einem Zustand hoher Impedanz zwischen zwei Hauptanschlüssen durch einen verhältnismäßig kurzen, leistungsschwachen Impuls auf eine Steuerelektrode in einen Zustand niedriger Impedanz zwischen diesen beiden Hauptanschlüssen durchschalten. Um den Wechselstromverbrauch einer Last zu steuern, sind zwei solche Bauelemente antiparallel zwischen eine Stromversorgungsquelle und die Last geschaltet. Eine Triggerschaltung gibt wahlweise unabhängige Triggerimpulse auf jedes Bauelement nach Haßgabe des gewünschten Setriebsver-

909824/0715

haltens. Zur Verminderung der Kosten und zur Vereinfachung solcher Schaltungen kann einer dieser steuerbaren Gleichrichter durch eine Brückenschaltung aus vier herkömmlichen Gleichrichtern ersetzt werden, an deren Ausgang ein einziger steuerbarer Gleichrichter angeschlossen ist. Dadurch wird nicht nur die Zahl der steuerbaren Gleichrichter und eventuell der schaltungstechnische Aufwand für Triggerschaltungen vermindert, sondern es werden auch die Kosten für weitere herkömmliche Gleichrichter und zusätzliche LeistungsVerluste in diesen Gleichrichtern reduziert.

Die Erfindung steuerbarer zweiweggleichrichtender Halbleiter wurde aufgrund des Bedarfs an einfachen Wechselstronversorgungssteuersehaltungen gemacht. Diese Halbleiter haben die Eigenschaft, daß sie normalerweise zwischen zwei Hauptanschlüssen eine hohe Impedanz aufweisen. Wenn einer dritten Elektrode, der Steuerelektrode, ein verhältnismäßig leistungsschwacher Triggerimpuls zugeführt witd, dann wird die Halbleiterstrecke des Bauelementes zwischen den beiden Hauptanschlüssen niederohmig. Diese Halbleiter haben von sich aus die Eigenschaft, daß sie den Strom gleichermaßen in zwei Richtungen, wie ein Zweiweg-Gleichrichter, leiten oder sperren können. Weiterhin können die Triggerimpulse, die das umschalten des Zustandes niedriger Leitfähigkeit in einen Zustand hoher Leitfähigkeit bewirken sollen, sowohl positiv als auch negativ sein. Daraus ist ersichtlich, daß die Zweiwegleiter-Oharakteristik des Hauptstrompfades und die Vielfalt der möglichen Triggerimpulse den zweirAhtungsleitenden Halbleiter zur Steuerung von Wechselstrom besonders geeignet erscheinen lassen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Stromversorgungssteuerschaltungen zu schaffen, in denen zweiweggleichrichtende Halbleiterbauelemente verwendet werden.

S09824/Ö71S

Zur Erhöhung der Wirksamkeit einer Stromversorgungsscnaltung sollte die Stromversorgungsschaltung auf die Art der Last, die mit Strom versorgt werden soll, zugeschnitten sein. Die Erfindung ist dementsprechend auf Wechselstromversorgungsschaltungen für Lasten mit negativer Widerstands-Charakteristik ausgelegt. Gasentladungslampen, wie Quecksilberdampflampen oder Leuchtstoffröhren, sind Beispiele für solche Lasten. Die Spannung, die diesen Lasten zugeführt wird, muß dementsprechend so groß sein, daß die anfängliche Zündung gewährleistet ist. Nach der Zündung ist die abzugebende Spannung jedoch verhältnismäßig niedrig, während Strombegrenzungsvorrichtungen erforderlich sein können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es deshalb, Leistungssteuerschaltungen zu schaffen, in denen zweiweggleichrichtende Halbleiterbauelemente.verwendet werden, und die die Stromversorgung von Lasten mit negativer WiderstandsCharakteristik erleichtern.

Bezüglich Entladungsröhren oder Quecksilberdampflampen als Last muß gesagt werden, daß die Betriebsspannungen dieser Geräte die normalerweise zur Verfügung stehenden Wechselspannungen übersteigen kann. Weiterhin ist es wünschenswert, diese Lasten mit Spannungen höherer Frequenz zu versorgen, als sie den herkömmlichen 50 - 60 Hz-Wechselstromnetzen zu entnehmen sind. Durch Verwendung von Spannungen höherer Frequenz und Amplitude können ein besserer Wirkungsgrad der Lampe und eine größere Leuchstärke erzielt werden.

Eine weitere Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, Schaltungen mit zweiweggleichrichtenden Halbleiterbauelementen zu schaffen, die eine Eingangswech8elspannung*höherer *in eine Ausgangswechselspannung

909824/0716

Frequenz und höherer Amplitude umwandelt. Eine etwas speziellere Aufgabe der Erfindung ist es, Stromversorgungsschaltungen für Lasten mit negativen WiderstandsCharakteristiken zu schaffen, in denen zweiweggleichrichtende Halbleiterbauelemente verwendet werden, und die diese Lasten mit Spannung versorgen, deren Amplitude und !frequenz höher ist als die der Netzspannung.

Wie weiter unten anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben ist, enthält die Erfindung im wesentlichen eine besondere Kombination eines zweiweggleichrichtenden Halbleiterbauelementes mit induktiven und kapazitiven Bauelementen, um den einer Last zugeführten Strom zu verändern und zu steuern. Der Halbleiter wird zur Bestimmung der Größe des Stromes, der einer Last zugeführt werden soll, wahlweise durch Steuersignale getriggert, und in einer Anzahl von Ausführungen sind in Verbindung damit Doppelresonanzschaltungen vorgesehen, um die Frequenz des Versorgungsstromes zu erhöhen. Anhand einiger Aus führung en ist auch die Verwendung zweiweggleichrichtender Halbleiter in Verbindung mit Widerstandstransformatoren für Lampenabblend-Steuerechaltungen gezeigt.

Die Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Die Figuren 1A, 1B und 10 zeigen jeweils in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines steuerbaren zweiweggleichrichtenden Halbleiters, ein Schaltsymbol für ein solches Bauelement und eine typische Stromspannungskennlinie eines solchen Bauelementes;

Pig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, in der einer Last über eine Doppelresonanzschaltung

909824/071$

Wechselstrom zugeführt wird, und die einen einzigen steuerbaren zweiweggleichrichtenden Halbleiter enthält;

Pig. 3 ist ein schematisches Sehaltbild einer Ausführung der Erfindung, in der einer Last über eine ähnliche Schaltung wie in Pig. 2 Wechselstrom zugeführt wird, die aber noch zusätzlich eine Induktivität enthält, die verhindert, daß der Strom direkt von der Stromquelle in die Last fließt;

Jig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, in der einer Last über eine Doppelresonanzschaltung Wechselstrom zugeführt wird, und in der ein einziger steuerbarer zweiweggleichrichtender Halbleiter die Last direkt schaltet;

fig. 5 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, in der einer Last über eine Doppelresonanzschaltung Wechselstrom zugeführt wird,und in der eine Induktivität mit Hittelabgriff und ein zweiweggleichrlohtender Halbleiter so verbunden sind, daß das fließen eines Laststromes in einer bestimmten Richtung während gesteuerter Perioden verhindert wird.

Pig. 6 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, in der einer Last über eine Doppelresonanzschaltung Wechselstrom zugeführt wird, und in der eine Induktivität mit Mittelanzapfung und ein zweiweggleichrichtender Halbleiter so miteinander verbunden Bind, daß der^lin Impuls gesteuerter Dauer zugeführt wird;

Pig. 7 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, in der einer Last über eine Doppeiresonanzachaltung Wechselstrom zugeführt wird, und die einen einzigen zweiweggleichrichtenden Halbleiter in R*ihe mit der Last enthält;

909824/0715 ]

Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild einer Ausführung der Erfindung ähnlich dem der Pig. 7, nur daß hier eine Induktivität mit Mittelabgriff verwendet wird;

Fig. 9 ist ein schematisches Schaltbild einer weiteren Abwandlung der Schaltung nach fig. 7» in der ein zusätzlicher Kondensator verwendet wird, um der Last Impulse höherer Amplitude zuführen zu können;

figuren 10 und 11 sind schematische Schaltbilder von Ausführungen der Erfindung, in denen steuerbare zweiweggleichrichtende Halbleiter in Verbindung mit Widerstands-Transformatoren Verwendet werden, um den AbIen^vorgang einer Lampe zu steuern.

Steuerbare zweiweggleichrichtende Halbleiter

,» Zum Verständnis und zur Beurteilung der Eyfindung, wie sie in den Schaltbildern anhand von Ausführungsbeispielen dargestellt und später beschrieben ist, ist es erforderlich, die prinzipielle Wirkungsweise der steuerbaren zweiweggleichrichtenden Halbleiter (weiterhin auch als steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter bezeichnet) zu kennen. Ausführlicher gesagt, diese Trioden können so ausgelegt sein, daß sie in vier Betriebsarten verwendet werden können. Die Betriebsarten unterscheiden sich einmal in der Richtung, in der Strom durch den Hauptstrompfad des Bauelementes fließt, und zum anderen in der gewünschten Richtung, in der Strom in die Steuerelektrode fließen soll, um es von einem Zustand hoher in einen Zustand niedriger Impedanz zu sohalten. B_ei willkürlicher Kennzeichnung des Bauelementes, wie es in Pig. 1B gezeigt ist, d.h. der Hauptstromelektroden mit 1 und 2 und einer Steuerelektrode mit 3, lassen sich die vier möglichen Betriebsarten in einer Tabelle wie folgt darstellen.

909824/071$

Betriebsart V/_o\ Ι/·*\ zur

In der Tabelle ist das Vorzeichen des Potentials V2 der Klemme 2 gegenüber der Klemme 1 als Bezugspunkt und das Vorzeichen des Steuerelektrodenstroms 13 angegeben, wobei das Vorzeichen des Stromes positiv sein soll, wenn der Strom in die Steuerele trode 3 fließt.

Aus obiger Tabelle ergibt sich, daß die Bauelemente von Triggerimpulsen beider Polaritäten in beiden Richtungen leitend gemacht werden können. ObßtyM- nicht jedes Bauelement in allen ■ vier Betriebsarten betrieben werden kann, können die Bauelemente jeweils so ausgelegt sein, daß sie in jeder gewünschten Betriebsart betrieben werden können. Soll somit beispielsweise ein B_auelement in der zweiten und dritten Betriebsart betrieben werden, dann kann durch Trigger impulse mit nur nega- · tiver Polarität entweder in der einen oder anderen Richtung Strom durch das Bauelement zum Fließen gebracht werden. Wird auf der anderen Seite die erste und zweite Betriebsart gewünscht, dann haben die Triggerimpulse der Richtung der Leitfähigkeit des B_auelementes entsprechende Polarität (wie durch die Vorzeichen in der Tabelle dargestellt).

909824/0715

Ein Beispiel eines typischen steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichter ist in Fig. 1A gezeigt. Eine in*s einzelne gehende Beschreibung des Aufbaus dieses Bauelementes enthält die zugehörige deutsche Patentanmeldung G 42 293 VIIIc/21g. Dieses Bauelement wurde so ausgelegt, daß es in den Betriebsarten 1 und 2 obiger Tabelle betrieben werden kann. Ist dementsprechend der Anschluß 2 negativ in Bezug auf den Anschluß 1, dann läßt sich das Bauelement durch einen in die Steuerelektrode 3 fließenden Strom durchsteuern. B_ei umgekehrter Polarität der Hauptanschlüsse 1 und 2 läßt sich das Bauelement durch Stromentzug über die Steuerelektrode 3 durchsteuern. Andernfalls kann ein Strom vom Anschluß 2 zum Anschluß 1 zum Fließen gebracht werden, indem ein positives Signal an den Anschluß 3 gelegt wird,und das Fließen eines Stromes von Anschluß 1 nach Anschluß 2 kann durch Anlegen eines negativen Signals an Anschluß 3 bewirkt werden.

Das Bauelement von Fig. 1A ist ein mehrschichtiger Halbleiter mit eher inneren η-dotierten Schicht 11, die beidseitig von p-dotierten Schichten 12 und 13 belegt ist. Eine n-leitende Zone 14 grenzt an einen äußeren TJ?il der p-dotierten Schicht 13, und eine η-dotierte Zone 20 grenzt an einen äußeren Teil der p-dotierten Schicht 12. Die η-dotierte Zone 20 grenzt nur an einen Teil der p-dotierten Schicht 12, so daß ein Zwischenraum zwischen der η-dotierten Zone 20 und den Rändern des Bauelementes bleibt, in dem die p-dotierte Schicht 12 zu beiden Seiten der p-dotierten Zone 20 die Oberfläche des B<fcuelementes bildet. Für die elektrischen Anschlüsse ist der Hauptstrompfad des Bauelementes mit niederohmigen Kontaktierungen 15 und 16 zu beiden Seiten des B uelementes versehen, die den größeren Teil der Oberflächen brooken. Die Elektrode 15 kontaktiert die äußere η-dotierte Zone 20 und den äußeren Teil der zunächst liegenden p-dotierten S&icht 12, wodurch der p-n-Übergang zwischen diesen beiden Zonen kurzgeschlossen wi d. Die Elektrode 16 reicht über die äußere n-dotier-

909824/0715

te Schicht H und den äußeren Teil der p-dotierten Schicht 13, wodurch sie den p-n-Übergang zwischen diesen beiden Schichten kurzschließt. Wie in Fig. 1A gezoigttLst, bilden die Elektroden 16 und 15 jeweils die Anschlüsse 2 und 1 des Bauelementes.

Es kann von Nutzen sein, darauf hinzuweisen, daß das soweit beschriebene Bauelement einen Fünfsfoichthalbleiter mit kurzgeschlossenen Emittern darstellt und im wesentlichen mit der Fünfschicht-Zweiweggleichrichter-Diode identisch ist, die in der deutschen Patentschrift 1 154 872 beschrieben ist. Dieses letztere Bauelement ist in Fig. 2 gezeigt und unten beschrieben.

Zur Steuerung der Leitfähigkeit zwischen den Anschlüssen 1 und 2 des Bauelementes von Fig. 1A sind zwei Steuerverbindungen vorgesehen. Einmal ist eine η-dotierte Zone 17 auf einem äußeren Teil der p-dotierten Schicht 12 in der Nähe der Elektrode 15 angeordnet. Auf dieser Steuerzone ist ein niederohmiger Kontakt 18 angebracht, an den die Steuerelektrode 3 angeschlossen ist. Ein weiterer Kontakt ist auf der p-dotierten Schicht 12 an einer Stelle angebracht, die von dem Übergang zwischen den Schichten 17 und 12 elektrisch isoliert ist. Dieser zweite Kontakt wird durch die Elektrode 19 gebildet, die ebenfalls mit der Steuerelektrode 3 verbunden ist. Zum Verständnis der /r^/inzipiellen Wirkungsweise des steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichters nach Fig. 1A stelle man sich vor,daß das Bauelement aus zwei Teilen gefertigt ist: der eine Teil enthält die Elektroden 15 und 19, die n-dotierte Schicht 20, die p-dotierte Schicht 12, die n-dotierte Schicht 11, die p-dotierte Schicht 13 und die Elektrode 16; und der andere TML enthält die "Elektroden 15 und 18

909824/071S

die η-dotierte Schicht 17, die p-dotierte Schicht 12, die η-dotierte Schicht 11, die p-dotierte Schicht 13» die n-dotierte Schicht 14 und die Elektrode 16. Durch diese hypothetische Teilung des Bauelementes kann der erste Teil als ein herkömmlicher steuerbarer SiliziiAmgleichrichter angesehen werden, dessen Wirkungsweise aaalog zu einem solchen Bauelement ist. Der zweite Teil stellt einen steuerbaren Siliziumgleichrichter mit abseits angeordneter Steuereüärfcrode dar, und seine Wirkungsweise kann mit der eines solchen Bauelementes verglichen werden. Der Aufbau und die Wirkungsweise steuerbarer Siliziumgleichrichter wird in den zahlreichen Veröffentlichungen einschließlich dem Control Rectifier Manual der G_eneral Electric Company, 2. Ausgabe, Copyright 1961, by General Electric Company ausführlich beschrieben. Der Aufbau und die Wirkungsweise steuerbarer Siliziumgleichrichter mit abseits angeordneter Steuerelektrode werden idjäer deutsehen Patentanmeldung G 42 082 VIIIc/ 21g ausführlich beschrieben und dargestellt.

Die Wirkungsweise des Bauelementes sei kur>z anhand der in Mg. 1C dargestellten Kennlinie beschrieben. In dieser Kennlinie ist der in Richtung von dem Anschluß 2 nach dem Anschluß 1 durch das B_auelement fließende Strom über dem ee— -oee Potential des Anschlusses 2 gegenüber dem Anschluß 1 aufgetragen.

B-fi positivem Potential des Anschlusses 2 gegenüber dem Anschluß 1 suchen die zwei äußeren Schichten des Bauelementes 1A leitend zu werden, da der p-n-Übergang zwischen den Schichten 13 und 11 und der p-n-Übergang zwischen den Schichten 12 und 20 in Durchlaßrichtung vorgespannt sind. Anderer-

SÖ9824/071S

seits sucht der mittlere n-p-Übergang zwischen den Schichten 11 und 12 den Strom durch das Bauelement zu sperren. Diese Sperrwirkung kann entweder dadurch beseitigt werden, daß die Spannung an dem Übergang solange erhöht wird, bis ein Durchbruch erfolgt, oder dadurch, daß ein entsprechend hoher Strom über die Steuerelektrode 3 und die Elektrode 19 injiziert wird, bis eine Änderung in der Verteilung der Ladungsträger in der Schicht eintritt. Während des Betriebes ist letzteres der Pall. Ohne im einzelnen auf die Verteilung und Rekombination der Elektronen und Löcher in dem Bauelement einzugehen, kann gesagt werden, daß bei entsprechender Zuführung eines Steuerelektrodenstromidie Raumladung in dem sperrenden n-p-Übergang zwischen den Schichten 11 und 12 in kürzester Zeit zusammenbricht und damit das Bauelement in Richtung von dem Anschluß 2 zum Anschluß

I leitend wird.

Dieses Verhalten ist in dem ersten Quadranten der Kennlinien-, darstellung von Pig. 1C veranschaulicht. Ist also das Potential des Anschlusses 2 positiv, dann tritt solange keine wesentliche Erhöhung des Stromes ein, bis im Punkt B die sogenannte "Durchbruchsfannung" und der sogenannte "Durchbruch- · strom" erreicht werden und eine lawinenartige Vervielfältigung einsetzt. Jenseits dieses Punktes steigt der Strom solange an, bis der mittlere Übergang zwischen den Schichten

II und 12 in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. In diesem Augenblick wird das Bauelement sehr git ßQJi.tend. Um den Steuerstrom, der über die Steuerelektrode 3 zugeführt wird, zu erhöhen, wird der Abstand zwischen der Durchbruchspannung und der "Brennspannung" verringert, da die Durchbruchspannung kleiner wird.

909824/0715

Bei positivem Potential des Anschlusses 1 gegenüber dem Potential des Anschlusses 2 ist die Wirkungsweise des Bauelementes von Fig. 1A etwas anders, aber wiederum läßt sich eine hohe Leitfähigkeit durch einen der Steuerelektrode zugeführten Steuerimpuls erzielen. Bei dieser Polarität der Anschlüsse 1 und 2 werden die p-n-Übergänge zwischen den Schichten 12 und 11 und zwischen den Schichten 13 und 14 leitend. Dagegen sucht der n-p-Übergang zwischen den Schichten 11 und 1,3 den Strom durch das Bauelement zu sperren. Auch jetzt kann zur Überwindung dieser Sperrwirkung entweder die Spannung an dem Übergang so weit erhöht werden, bis ein Durchbruch erzwungen wird, oder durch die Steuerelektrode 3 Strom entzogen werden, um den Ladungszustand des Übergangs zu ändern.

Der Verlauf der Kennlinie im dritten Quadranten der graphischen Darstellung von Pig. 1G veranschaulicht die Wirkungsweise unter den zuletzt genannten Bedingungen. Man erkennt, daß eine Erhöhung der Spannung zwischen den Anschlüssen 2 und 1 nur geringen Einfluß auf die Erhöhung des Stromes hat, bis im Punkt A die Durchbruchspannung erreicht wird. Danach steigt der Strom steil an, und Löcher und Elektronen rekombinieren in den verschiedenen Schichten des Bauelementes, wobei das Bauelement völlig leitend wird. Die obige kurze Beschreibung zeigt, daß der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter von Fig. 1A in zwei Richtungen durchgesteuert werden kann, wobei die Steuerung durch Triggerimpulse entsprechender Polarität über die Steuerelektrode 3 den Pfad niedriger Impedanz zwischen den Anschlüssen 1 und 2 bewirkt. Eine etwas ausführlichere Erklärung der Wirkungsweise eines solchen Bauelementes ist der oben erwähnten deutschen Patentanmeldung G 42 293 VIIIc/21g zu entnehmen.

909824/0715

Leiatungsateuerschaltungen

Die vorstehende Beschreibung der Wirkungsweise steuerbarer Einkristall-Zweiweggleichrichter möge im Hintergrund bei der Beurteilung der Schaltung^stehen, die jetzt beschrieben werden. In jeder der Figuren 2-11 ist ein einziger steuerbarer Einkristall-Zweiweggleichrichter in Verbindung mit Blindwiderständen zur Steuerung des Wechselstroms einer Last verwendet.

2*

Pig. 2 stellt eine Zweifacha-Resoti-Schaltung dar, mit der einer Last 32 eine Spannung höherer Amplitude und Frequenz zugeführt werden kann als sie die Spannungsquelle aufweist. Die Last 32 liegt mit einer Induktivität 33 in Reihe an einer Wechselstromquelle 31· Ein Kondensator 34 ist der Last 32 parallel geschaltet und bildet zusammen mit der Induktivität 33 einen ersten Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz höher ist als die Frequenz der Wechselstromquelle. Eine weitere Induktivität 35 ist in Reihe mit einem steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 ebenfalls parallel zur Last 32 geschaltet. Der Resonanzkreis aus der Induktivität 35 und dem Kondensator 34 ist wiederum auf eine höhere Frequenz abgestimmt als der Resonanzkreis aus der Induktivität 33 und dem Kondensator 34.

Wie die beschriebene Schaltung eine Spannung mit höherer Amplitude und Frequenz an der Last 32 erzeugt als sie die Wechselstromquelle 31 aufweist, wird verständlich, wenn man zunächst annimmt, daß die Reihenresonanzfrequenz der Induktivität 33 und des Kondensators 34 um soviel größer ist als die Frequenz der Wechselstromquelle 31, daß letztere während einer Halbwelle praktisch als Gleichstromquelle angesehen werden kann. Unter dieser Voraussetzung sei weiter/" angenommen, daß

909824/0715

an der oberen Klemme der Wechselstromquelle 31 eine positive Spannung von +E anstellt. Unter diesen Voraussetzungen wird der Kondensator 34 in R_eine mit ^der Induktivität 33 solange aufgeladen bis die obere Platte des Kondensators auf die Spannung +E aufgeladen ist. In diesem Augenblick kann die Spannungsquelle 31 keinen Strom mehr abgeben. ·Ββτ ¹ lnduktivität , sorgt e dafür, daß der Stromleiterfließt und der Kondensator 34 sich weiter auflädt, bis er auf ungefähr +2E aufgeladen ist.

Wenn die Reihenschaltung aus Kondensator 34, Induktivität 35 und Halbleiter 30 gesperrt ist, während der Kondensator 34 geladen ist, bietet sich dem Kondensator 34 eine Entladungsstrecke mit verhältnismäßig kurzer Zeitkonstante dadurch, daß der Halbleiter 30 in diesem Augenblick durchgesteuert wird. Es findet eine schnelle Entladung statt, bis sich die Polarität der Hauptanschlüsse 1 und 2 d*es Halbleiters 30 umkehrt, so daß dieeer wieder gesperrt wird. Normalerweise entlädt sich der Kondensator 34 dabei über die Induktivität 35 und den Halbleiter 30 völlig. Infolge der Induktivität 35 fließt aber der Strom solange weiter, daß sich die obere Platte des Kondensators 34 auf eine Spannung von ungefähr -2E umgeladen hat. Der Halbleiter 30 sperrt dann und die obere Platte des Kondensators 34 bleibt auf -2E Volt geladen. Da angenommen wurde, daß die Spannungsquelle 31 eine Klemmenspannung von +E aufweist, lädt sich der Kondensator 34 wieder um, diesmal aber auf eine Spannung von ungefähr +3E. Wenn der Kondensator 34 wieder geladen ist, wird der Halbleiter 30 durch einen Triggerimpuls wieder durchgesteuert, so daß sich der Kondensator wieder kurzzeitig entladen bzw. umladen kann und sich der oben beschriebene Vorgang wiederholt.

809824/0715

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Induktivität 33 den Kondensator 34 nur langsam auflädt. Ist der Kondensator 34 aber einmal geladen, dann wird er durch die Induktivität 35 und den steuerbaren Halbleiter 30 verhältnismäßig schnelle entladen. Dieses Verhältnis ermöglicht es, daß die Induktivität 35 und der Halbleiter 30 den gesamten Entladestrom des Kondensators 34 steuern, ohne daß eine Beeinflussung durch die Parallelschaltung aus Stromquelle 31 und Induktivität 33 erfolgt. Nach Beendigung des Entladevorgangs wird der Kondensator 34 wieder durch die Stromquelle über die Induktivität 33 aufgeladen, und es kann ein weiterer Zyklus erfolgen. Der Unterschied zwischen dem ersten und dem nächsten Zyklus besteht darin, daß der Kondensator 34 mit jedem Zyklus auf eine höhere Spannung- aufgeladen wird. Durch eine entsprechende Triggerung des Halbleiters 30 kann die Höhe der Spannung die der Last zugeführt wird, gesteuert werden. Dabei ist die Ausgangsfrequenz wesentlich größer als die Frequenz der Wechselstromquelle.

Bei dem soeben beschriebenen Wirkungsablauf war angenommen worden, daß an der oberen Klemme der Wechselstromquelle 31 eine positive Gleichspannung anstand. Bei entsprechender Wahl der Resonanzfrequenzen kann anstelle des Vorausgesetz-' ten Gleichstroms Wechselstrom verwendet werden. Um jedoch eine solche Wirkungsweise zu ermöglichen, ist es wesentlich, daß der steuerbare Halbleiter 30 ein Einkristall-Zweiweggleichrichter ist. Nur mit einem steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 ist der gleiche Wirkungsablauf möglich, wenn an der oberen Klemme der Wechselstromquelle 31 die negative Halbwelle des Wechselstroms ansteht.

Die Triggerschaltung 36 für den Halbleiter 30 ist in Fig.2 durch einen Block dargestellt. Die spezielle Ausführung der Triggerimpulsschaltung 36 für den Halbleiter 30 ist für die

909824/0715

Erfindung ohne Bedeutung. Die Triggerimpulse sind der jeweiligen Betriebsart, für die der Halbleiter 30 ausgelegt wurde, angepaßt. Die Prequenz der Triggerimpulse oder -signale ist ebenfalls kein kritischer Punkt. Die Impulsfolgefrequenz kann in dem Bereich von Werten etwas unterhalb der Resonanzfrequenz der Bauelemente 53 und 34 bis zu Werten etwas unterhalb der Resonanzfrequenz der Bauelemente 34 und 35 liegen. Der spezielle Wert der Betriebsspannung der in Pig. 2 gezeigten Leuchtstoffröhren oder iUecksilberdampflampen ist an sich bekannt. Wie schon gesagt, verlangen diese lampen oftmals höhere Betriebsspannungen als sie aus dem Eetz entnommen werden können, und sie haben auch einen höheren Wirkungsgrad, wenn sie mit höheren Frequenzen betrieben werden, als sie die gebräuchlichen Stromversorgungsnetze aufweisen. Bei einigen Bogenentladung sgerät en, wie diesen Lampen, reicht die negative Widerstands-Charakteristik bis zu sehr großen Stromstärken, so daß es zweckmäßig erscheint, die Höhe des Stroms zu begrenzen, um das Betriebsverhalten zu stabilisieren.

Pig. 3 stellt eine Ausführung der Erfindung dar, der prinzipiell die gleiche Wirkungsweise zugrundeliegt, wie der Schaltung nach Pig. 2, nur daß sie zusätzlich eine Induktivität 37 enthält, die mit der Last 32 in Reihe geschaltet ist. Diese Induktivität ist kein Teil eines Schwingkreises, wie er oben beschrieben wurde, sondern dient zur Begrenzung des Stroms durch die Last 32 während der Perioden höherer Leitfähigkeit der Last 32. Sie verhindert ebenfalls, daß die Last 32 direkt aus der Stromquelle 31 Strom zieht.

Pig. 4 stellt ebenfalls eine Ausführung zur Lösung des Problems der Stromversorgung von Geräten mit negativer Widerstands-Charakteristik bis zu höchsten Stromstärken dar. Hier ist

909824/0715

der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 direkt parallel zur Last 32 geschaltet und der zweite Resonanzkreis entsteht dadurch, daß eine Induktivität 38 in den Haupt8trompfad zwischen die Wechselstromquelle 31 und die Last 32 geschaltet iet. Da die Induktivität 38 zwischen die Last und die Stromversorgungsquelle geschaltet ist, hat sie eine ähnliche Wirkung, wie die Induktivität 37 in der Schaltung nach lig. 3* Zusammen mit dem Kondensator 34 bildet sie jedoch ebenfalls den zweiten Resonanzkreis, der es ermöglicht, höhere Ausgangsspannungen mit höheren Frequenzen zu schaffen. In dieser Schaltung wird der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 ebenso wie in den obigen durch eine Triggersohalung 36 getriggert, um durch die Steuerung des Wertes, auf den sich der Kondensator 34 auflädt, gleichzeitig den Strom zu steuern, der der Last 32 zugeführt wird.

Die Schaltung nach Pig. 5 ist den oben beschriebenen Schaltungen in vieler Hinsicht ähnlich, nur daß sie eine Induktivität 39 mit Mittelabgriff enthält, um dadurch zu verhindern, daß ein Laststrom fließt, während der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 leitend ist. Diese Induktivität ersetzt die Induktivität 38 in fig. 4 und der Halbleiter 30 ist durch den Abgriff, einen Mittelabgriff^ über die eine Hälfte der Induktivität 39 mit dei^IWchluß der Last 32 verbunden. Wenn sich der Kondensator 34 während einer positiven Halbwelle über den Zweig entladt, der den linken feil der Induktivität 39 und den steuerbaren Halbleiter 30. enthält, wird in der rechten Wioklungehälfte eine Spannung induziert, die dem Strom während des ersten T^iIs des Entladevorgangs entgegengerichtet ist. Demgemäß wird während des leitenden Zustandes des steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichters 30 der Last 32 kein Strom zugeführt. Man erkennt, daß auch während der negativen Halbwelle ein ähnlicher Vorgang abläuft.

S0982A/071S

Pig. 6 lehrt ebenfalls die Verwendung einer angezapften Induktivität. Hier liegt die gesamte Induktivität 40 in Reihe mit dem steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 und der Last 32, während der Kondensator 34 mit dem Abgriff der Induktivität 40 verbunden ist. Mit dieser Schaltung wird der last während des leitenden Zustandes des Halbleiters 30 ein höherer Spannungsimpuls zugeführt. Diese Ausführung ist besonders zweckmäßig zur zwangsweisen Einleitung des Ionisationsvorganges in einer Lampe nach jeder Umkehr der Polarität oder zur Zündung kalter Lampen. Die Wirkungsweise der Schaltung wird klar, wenn man berücksichtigt, daß im leitenden Zustand des Halbleiters 30 die in der oberen Hälfte der Induktivität 40 induzierte Spannung so gerichtet ist, daß sie die Stromzuführung über den Mittelabgriff vom K&hdensator 34 unterstützt.

Die in den Fig. 7, 8 und 9 gezeigten Schaltungen unterscheiden sich von den oben beschriebenen Schaltungen dadurch, daß der steuerbare Einkristall-Zweiwegg-eichrichter 30 mit der Last in Reihe und nicht parallel dazu geschaltet ist. Dementsprechend liegt in Pig. 7 ein Resonanzkreis aus einer Induktivität 41, einem Halbleiter 30 und einem Kondensator 42 direkt an der Wechselstromversorgungsquelle 31. Die Last 32 ist in Reihe mit einer Induktivität 43 dem Kondensator 42 parallel geschaltet. Diese Schaltung läßt sich besonders vorteilhaft für die Stromversorgung von Lasten verwenden, deren Strom nach Überschreiten einer Zündspannung, z.B. bei der Ionisation einer Lampe, stark ansteigt, während die Spannung auf einen niedrigen Wert abfällt.

In der Schaltung von Pig. 7 steuert der Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 im wesentlichen den Lädevorgang des Kondensators 42 und nicht den Entladevorgang, wie in den oben be-

909824/0715

schriebenen Schaltungen. Die Bauelemente 41 und 42 sind dabei auf eine höhere Resonanzfrequenz abgestimmt als die Bauelemente 42 und 43, da zur Kommutierung des Halbleiters · 30 vom leitenden in den gesperrten Zustand eine gewisse Zeit erforderlich ist. Mit anderen Worten, die Induktivität 43 muß entsprechend groß sein, um diesen Kommutierungsvorgang zu gewährleisten.

Die Schaltungen der Figuren 7»8 und 9 können auf eine weitere Art betrieben werden. Dabei sind die Induktivität 41 und die Spannung der StromversorgungBquelle 31 so groß, daß eine normale Stromversorgung der Last 32 möglich ist, wobei das Bauelement 30 ständig leitend ist. Die' Größe des Stroms, der der Last zugeführt wird, läßt sich dann dadurch steuern, daß der Halbleiter 30 zu jeweils verschieben Phasenwinkeln jeder Halbwelle der Stromvereorgungsspannung durchgesteuert, wird, so daß eine Anschnittsteuerung des Laststroms erfolgt. Die Induktivität 41 und der Kondensator 42 erzeugen derartige Resonanzschwingungen, daß die Sppnnung des Kondensators 42 im leitenden Zustand des Halbleiters 30 auf das doppelte der Versorgungsspannung anzusteigen sucht und so den Strom durch die Last 32 erhöht. Im Falle einer Gasentladungsröhre ale Last 32, z.B. einer Quecksilberdampflampe, liegt anfangs eine sehr hohe Impedanz vor, die zur Zündung eine sehr viel höhere Spannung als normal erfordert. Bei Verwendung ein^s Halbleiters 30, der während jeder Halbwelle gezündet wird, steigt die Spannung des Kondensators 42 und damit auch der Last 32 in jeder Halbwolle bis die Last leitend wird oder bis die Durehbruchspannung des Halbleiters erreicht wird und dadurch ein weiteres Ansteigen der Spannung verhindert wird.Die Schaltung nach Hg, 8 kann ala Analogon zu der Schaltung nach Pig. 5 angesehen werden. Der Unterschied besteht darin, daß jetzt der steuerbare Halbleiter 30 in Reihe

909824/071 5

mit der Last 32 und den Induktivitäten 41 und 44 an der Stromversorgungsquelle 31 liegt. Dementsprechend steuert der Halbleiter direkt den Ladevorgang des Kondensators 42. Der Laststrom wird durch die Spannung bestimmt, auf die sich der Kondensator 42 ursprünglich aufladen könnte. Ferner lädt sich der Kondensator 42 nicht weiter auf (d.h. nicht höher als auf +2E, wie in obigem Beispiel), da der Maximalwert, auf den sich der Kondensator 42 in dieser Schaltungsanordnung auflädt, ungefähr doppelt so hoch wie die Versorgungsspannung ist. Es ist einzusehen, daß mit Hilfe der Induktivität 44 mit Mittelabgriff nach Pig. 8 die K"Smmutierung des Halbleiters 30 etwas einfacher ist und eine Lampe als Last während des leitenden Zustande gelöscht wird.

Durch Hinzufügen eines weiteren Kondensators zu der in Fig. gezeigten Schaltung und Umpolung der Anschlüsse der Induktivität mit Abgriff ist es möglich, Hochspannungsimpulse zu erzeugen, um den anfänglichen I_onisationsvorgang einer Lampe als Last zu zünden. Pig. 9 stellt eine solche Sohaltung dar. Ein Kondensator 46 iet zwischen den Verbindungspunkt der Induktivität 41 mit dem Halbleiter 30 und den. gegenüberliegenden Anschluß der Stromversorgungsquelle 31 geschaltet. Der Halbleiter 30 ist mit dem Abgriff einer Induktivität 45 verbunden, und der Kondensator 47 ist in Heine mit der gesamten Induktivität 45 der Last 32 parallel geschaltet. In dem Augenblick, während dem der Halbleiter 30 durchgesteuert wird, liegt die Spannungsdifferenz der Kondensatoren 46 und 47 an der unteren Hälfte der Induktivität 45, die dann durch Selbstinduktion eine höhere Spannung erzeugt und der Last 32 zuführt. In einer Schaltung dieser Art würde die Kapazität des Kondensators 46 kleiner sein als die Kapazität des Kondensators 47.

Zwei weitere Schaltungen zur Steuerung des Yerdunkelungeqder Abblendvorgangs von Lampen als Lasten aind in den Pig.

909824/0716

10 und 11 gezeigt. In diesen Schaltungen erfolgt die Steuerung der Leistung, die an die Lampen abgegeben wird, mit Hilfe eines steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichters 30 zusammen mit einem Widerstandstransformator. In Mg. ist ein steuerbarer Einkristall-Zweiweggleichter 30 in Reihe mit der Sekundärwicklung 48 eines Widerstandstransformators 50 und einer Lampe 52 geschaltet. Die Primärwicklung 49 des Widerstandstransformators 50 liegt direkt an der Stromversorgungsquelle 31. In dieser Anordnung sorgt der Verlustwiderstand zwischen der Primär«¹ und der Sekundärwicklung für eine Strombegrenzung. Während des normalen Betriebs wird die Primärwicklung ständig erregt; die Lampe wird jedoch nur dann mit Strom versorgt, wenn der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 durchgesteuert ist. In diesem Augenblick wird der Lampe 52 direkt Wechselstrom vom Netz 31 zugeführt, dies auch aufgrund der induktiven Kopplung zwischen der Primärwicklung 49 und der Sekundärwicklung 48.

Pig. 11 zeigt eine Schaltung zur Steuerung des Abblendvorgange einer Gasentladungslampe mit einem Konstantstrom-Widerestandstransformator 50, wobei der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter die Lampe während eines Abschnitts einer jeden Halbwelle entsprechend eiier Anschnittsteuerung kurzschließt. In dieser Schaltung liegt die Primärwicklung 49 wieder direkt am Netz, und die Sekundärwicklung 48 liegt mit dem Kondensator 51 und der Lampe 52 in R_eihe am Netz 31. Wie ferner aus iig. 11 ersichtlich, liegt der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter 30 parallel zu der Lampe 52, so daß während seines leitenden Zustande die Lampe kurzgeschlossen wird.

0 9824/0716

Claims

Patentansprüehe Dc, -ExJpL

1. Stromversorgungssteuerschaltung zur Versorgung einer last, insbesondere einer Last mit negativer Widerstands-öharakteristik, mit Wechselstrom aus einer Wechselstromquelle, wobei uie Lastspannung eine höhere Frequenz und Amplitude haben soll als die Spannung der Wechselstromquelle, dad u r c h gekennzeichnet , daß zwischen Last (32) und Wechselstromquelle (31) zwei Schwingkreise mit unterschiedlicher, aber höherer Resonanzfrequenz als die Frequenz der Wechselstromquelle (31) geschaltet sind, und daß sie einen von einer !Triggerschaltung (36) zur Steuerung der Umladevorgänge in den Resonanzkreisen getriggerten steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichter (30) (Fig. 1) enthält.

2. Schaltung nach Anspruch 1_t dadurch gekennzeichnet , daß der eine Schwingkreis der zwei Schwingkreise aus einer Induktivität (33) und einem Kondensator (34) in Reihe an der Wechselstromquelle (31) liegen, daß parallel zu dem K_ondensator (34) die Reihenschaltung aus einer Induktivität (35) und dem steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichter (30) geschaltet ist, daß die Induktivität (35) mit dem Kondensator (34) den zweiten der der zwei Schwingkreise bildet, und daß die Last (32) ebenfalls parallel zu dem K_ondensator (34) geschaltet iet (Fig. 2).

3· Schaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Strombegrenzung induktivität (37) mit der Laet (32) in Reihe gesohaltet ist (Fig.3)

4. Schaltung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Last (32) direkt parallel zu dem steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichriohter (30) geschaltet

909824/071$

ist, so daß eine Schwingkreisinduktivität (38) gleichzeitig als Strombegrezungsindüktivität vor die Last (32) geschaltet ist (Fig. 4).

5. Schaltung nach iinem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Induktivität (39) mit Mittelabgriff enthält, deren eines Ende mit dem Verbindungspunkt von Induktivität (33) und Kondensator (34) verbunden ist, deren anderes Ende an die Last (32) angeschlossen sit und deren M^ttelabgriff mit dem steuerbaren Einkristall-Zweiweg^eichrichter (30) verbunden ist. (Pig.5)

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Mittelabgriff und der Kondeneatoranschluß der Induktivität 38 vertauscht sind (Pig. 6).

7. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktivität (41) mit dem steuerbaren Einkristall-Zweiweggleich- ^v richter (32), einer'Induktivität (43) und der Last (32) in der aufgezählten ReiheniöLge in Reihe an der Wechselstromquelle (1) liegen und ein Kondensator (42) die Induktivität (43) und die Last (32) überbrückt (Pig. 7).

8. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (41), der steuerbare Einkristall-Zweiwegfcleiehrichter (30), eine Induktivität (44) mit Mittelabgriff und die Last

(32) in der aufgezählten Reihenfolge in Reihe an der Wechselstromquelle (31) liegen und der Kondensator (42) die der Last (32) zunächstliegende Hälfte der Induktivität (44) und die . Last (32) überbrückt (Pig. 8).

9. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rei-

909824/071 6

hensehaltung aus der Induktivität (4-1) und einem Kondensator (46) an der Wechselstromquelle (31) liegt, daß der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichriohter (30) zwischen dem Mittelabgriff einer Induktivität (45) und den Verbindungspunkt von Induktivität (41) und Kondensator (46) geschaltet ist, während ein Kondensator (47), die Induktivität (45) und die Last (32) in der genannten Heihenfolge einen geschlossenen Kreis bilden, und daß die Wechselstromquelle (31), der Kondensator (46), der Kondensator (47) und die Last (32) jeweils mit einem Anschluß zusammengeschaltet sind (?ig. 9).

10. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Abblendsteuerung einer Gasentladungslampe (52) neben den steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichter (30) einen Widerstandstransformator (50) mit einer Primärwicklung (49) und einer Sekundärwicklung (48) enthält, daß die Primärwicklung (49) direkt an der Wechselstromquelle (31) liegt und der steuerbare Einkristall-Zweiweggleichrichter (30) mit der Sekundärwicklung (48) und der Last (52) in Reihe geschaltet ist (fig. 10).

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß anstelle des steuerbaren Einkristall-Zweiweggleichrichters (30) ein Kondensator (51) geschaltet ist, und der steuerbare Einkrintall-Zweiweggleiohrichter (30) parallel zur Last (52) geschaltet ist.

909824/0718