DE1242699B - Verstaerker mit zwei stark leitenden Halbleiterdioden im Laststromkreis - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1242 699

Aktenzeichen: W 25036 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 13. Februar 1959

Auslegetag: 22. Juni 1967

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verstärker im allgemeinen und insbesondere auf Verstärker, welche schaltende Halbleiterdioden hoher Leitfähigkeit benutzen.

Das Aufkommen einer Halbleiterdiode, welche solche Eigenschaften hat, daß bei einem gewissen näher bestimmten Strom und einer näher bestimmten Spannung in der Rückwärtsrichtung (Sperrichtung) die Diode hochleitfähig wird und danach im wesentlichen einen Strom in Rückwärtsrichtung bei niedriger Spannung führt, hat zu vielen neuen elektronischen Anwendungen geführt. Das oben beschriebene Phänomen ist nicht ein Zenerzusammenbruch, noch ist es ein Lawinenzusammenbruch. Diese einzigartige Zusammenbruchskennlinie kann unbestimmt wiederholt werden. Dieser Zusammenbruch ist als hyperkonduktiver Zusammenbruch bezeichnet worden, und eine Diode, welche eine solche Kennlinie hat, soll im nachfolgenden als eine hyperkonduktive Diode bezeichnet werden.

Solch eine hyperkonduktive Diode mit steuerbaren umkehrbaren Zusammenbruchseigenschaften oder einem hyperkonduktiven Zusammenbruch kann ein erstes Basiselement enthalten, welches aus einem Halbleiterglied besteht, welches mit einer Verunreinigung dotiert ist, um eine erste Art von Halbleitfähigkeit, entweder n- oder p-Leitung, zu schaffen. Auf diesem ersten Basiselement ist ein Emitterelement vorhanden, welches aus einem Halbleitermaterial besteht, das mit dem entgegengesetzten Typ der Halbleitfähigkeit dotiert ist. Dieses Emitterelement kann durch Legierung mit einer Tablette hergestellt werden, welche eine Dotierungsverunreinigung zu einer Halbleitermaterialplatte enthält, welche das erste Basiselement bildet. Ein Emitteriibergang ist an der Zone zwischen dem ersten Basiselement und dem Emitterelement vorhanden.

Um die Einschaltung der Diode in eine elektrische Schaltung zu erleichtern, kann eine Schicht aus Silber oder anderem gut leitendem Material auf die obere Oberfläche des Emitters aufgeschmolzen, in diese hineinlegiert oder mit ihr verlötet werden. Kupferzuleitungsdrähte können leicht an diese Schicht angelötet werden.

Ein zweites Basiselement von entgegengesetzter Leitfähigkeit ist nächst dem ersten Basiselement vorgesehen. Eine Zone, bei der sich erstes und zweites Basiselement treffen, bildet einen Kollektorübergang.

Nächst dem zweiten Basiselement ist eine Metallmasse vorgesehen, die eine Ladungsträgerquelle bildet, die ein charakteristischer Teil für die Wirkungsweise der Diode ist. Diese Metallmasse kann neutral Verstärker mit zwei stark leitenden
Halbleiterdioden im Laststromkreis

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Edward A. Petrocelli,

Franklin Township, Pittsburgh, Pa.;

Bent Christensen,

Monroeville, Turtle Creek, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. Februar 1958
(716171)

sein oder dieselben Dotierungseigenschaften wie das zweite Element haben. Die Metallmasse kann auf das zv/eite Basiselement durch einen Lötvorgang, Legierungsvorgang, Schmelzvorgang oder durch ein ähnliches bekanntes Verfahren aufgebracht werden.

In dem älteren Patent 1 061 829 sind nun Verstärkeranordnungen mit stark leitenden Halbleiterdioden (Schaltdioden) vorgeschlagen worden. Ein Teil dieser darin beschriebenen Verstärkeranordnungen besitzt lediglich eine einzige Schaltdiode, so daß die an diese Schaltdiode angeschlossene Last nur während einer Halbwelle der Speisespannung angesteuert werden kann. Eine Weiterbildung dieser Schaltung nutzt zwar beide Halbwellen der Speisespannung zur Speisung der Last aus, benötigt jedoch einen Netztransformator mit Mittelanzapfung. Diese Schaltung hat den Nachteil, daß der Netztransformator für die Leistung der Last ausgelegt sein muß, wodurch der Aufwand der Gesamtschaltung entsprechend hoch wird.

In dem weiteren älteren Patent 1 061 830 ist eine Verstärkerschaltung mit zwei Schaltdioden vorgeschlagen, die ohne Netztransformator arbeitet. Diese Schaltungsanordnung besitzt aber zur An-

709 607/383

3 4

steuerung der beiden Schaltdioden getrennte Steuer- Wie in dem Rückwärtsquadranten gezeigt ist, wenn kreise, die von einer gemeinsamen Steuerspannungs- die Diode zusammenbricht, fällt die Spannung entquelle synchron über den Übertrager angesteuert wer- lang einer im wesentlichen geraden Linie bis auf den. Auch diese Schaltung ist wegen des doppelt vor- annähernd eine Spannungseinheit ab, und es wird nur handenen Steuerkreises aufwendiger und teurer. 5 eine sehr kleine Leistung in der Diode bei Aufrecht-

Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Er- erhaltung der Diode in einem hochleitfähigen Zufindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die stand verbraucht. Die Diode kann wieder in den mit geringerem Aufwand auskommt. Dies wird unter Zustand hohen elektrischen Widerstandes durch Her-Verwendung zweier stark leitender Halbleiterdioden absetzung des Stromes auf einen Mindestschwellwert (Schaltdioden) im Laststromkreis dadurch erreicht, io und der Spannung unter den kritischen Zusammendaß beide Schaltdioden gegensinnig in Reihe mit der bruchswert gebracht werden. Folglich kann die Last und der Speisespannungsquelle geschaltet sind Kurve, wie erwünscht, durch eine geeignete Steue- und mittels der Spannung an einem Speicherkonden- rung der Größe des Stromes und der Spannung in sator im Steuerstromkreis über vorgeschaltete Sperr- Rückwärtsrichtung der Diodenkennlinie wiederholt gleichrichter parallel gesteuert werden. Der Vorteil 15 durchlaufen werden.

der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht Es wird nun wieder auf F i g. 1 Bezug genommen

gegenüber den bereits vorgeschlagenen Anordnungen und ein kleines Eingangssignal an die Klemmen 10

darin, daß die Last während beider Halbwellen ohne und 11 angelegt. Ein Transformator 20 übersetzt das

Zuhilfenahme eines Netzformators mit Mittelanzap- Eingangssignal nach oben, der Gleichrichter 30 rich-

fung an der Speisewechselspannung liegt und mit nur 20 tet das Signal gleich, und die Filterglieder 40 filtern

einem einzigen Steuerkreis gesteuert werden kann. das Signal. Die Signale werden daher Anlaß sein, daß

Die Erfindung wird nun an Hand eines vorteil- die Kapazität 51 über den Ladewiderstand 52 aufhaften Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den geladen wird.
F i g. 1 bis 3 näher erläutert. Wenn die Kapazität 51 geladen ist, so erreicht die

In F i g. 1 ist die Verstärkerschaltung gemäß der 25 Größe der Ladung an der Kapazität 51 den kritischen

Erfindung gezeigt, welche allgemein einen Energie- Zusammenbruchswert der hochleitfähigen Dioden 60

speicherkreis 50 und ein Paar stark leitender Dioden und 70. Da der Ausgang des Energiespeicherungs-

60 und 70 enthält. Das Eingangssignal wird an den kreises 50, d. h. die Ladung an der Kapazität 51, an

Energiespeicherkreis 50 über die Anschlußklemmen beide Dioden 70 und 60 angeschlossen ist, wird die

10 und 11, einen Aufwärtstransformator 20, einen 30 hochleitfähige Diode, weiche an die positive Klemme

Gleichrichter 30, ein Filter 40 und eine Kapazität 41 der Wechselspeisespannung angeschlossen ist, die

angelegt. Die Anschlußklemmen 10 und 11 sind an einzige der hyperkonduktiven Dioden 60 und 70 sein,

die Zuleitungen der Primärwicklung 21 des Auf- welche zusammenbricht. Nachdem die hochleitfähige

wärtstransformators 20 angeschlossen. Die Sekundär- Diode, welche an eine positive Klemme angeschlossen

wicklung 22 ist mit dem Gleichrichter 30, einem Lade- 35 ist, zusammengebrochen ist, wird Laststrom über die

widerstand 52 und der Kapazität 51 in Reihe ge- Last 80 fließen. Bei der nächsten Halbperiode der

schaltet. Die Filtermittel 40 enthalten in Parallel- Wechselstromspeisespannung wird die andere hoch-

schaltung die Kapazität 41 und den Widerstand 42, leitfähige Diode zusammenbrechen, und es wird

welche parallel an die Reihenschaltung aus dem Laststrom in der entgegengesetzten Richtung über die

Gleichrichter 30 und der Sekundärwicklung 22 an- 40 Last fließen.

geschlossen sind. Die Kapazität 51 als Ausgangs- Dieser Zusammenbruch oder die Zündung der

schaltglied des Energiespeicherungskreises 50 ist über hochleitfähigen Diode wird während jeder Halbwelle

einen Gleichrichter 62 und einen Strombegrenzungs- der Speisewechselspannung viele Male vor sich gehen,

widerstand 61 parallel an der hochleitfähigen Diode weil der Energiespeicherungskreis 50 und die hyper-

60 angeschlossen. Die Kapazität 51 ist auch über 45 konduktiven Dioden 60 und 70 sich vereinigen, um

einen Gleichrichter 72 und eine Strombegrenzungs- die Funktion eines Kippschwingungsoszillators zu er-

impedanz 71 parallel an die hochleitfähige Diode 70 füllen, dessen Frequenz viel höher als die Frequenz

angeschlossen. Die hyperkonduktiven Dioden 60 und der Wechselspeisespannungsquelle ist, weiche an die

70 sind gegensinnig in Reihe mit einer Last 80 zwi- Klemmen 81 und 82 angeschlossen ist.

sehen den Anschlüssen 81 und 82 für das Anlegen 50 Wenn kein Eingangssignal an den Klemmen 10 und

einer Wechselstromenergiequelle angeschlossen. 11 liegt, so wird keine Ladung an der Kapazität 51

Die Kurve in F i g. 3 zeigt, wie die Halbleiterdiode entwickelt, und die hochleitfähigen Dioden können

auf die Anwendung verschiedener Spannungen an- nicht zusammenbrechen, da ihre Zusammenbruchs-

spricht. Wird der obere rechte oder Vorwärtsquadrant spannung höher als der Spitzenwert der Speisewech-

betrachtet, wenn eine Spannung in Vorwärtsrichtung 55 selspannung ist, welche an die Klemmen 81 und 82

der Diode in der Größenordnung von einer Span- angeschlossen ist.

nungseinheit angelegt wird, so baut sich ein Strom Einer der Hauptvorzüge einer Schaltung im Sinn

von annähernd drei Stromeinheiten auf. Wenn die der in F i g. 1 veranschaulichten ist, daß die Zündung

Spannung umgekehrt wird, so baut sich in umgekehr- oder der Zusammenbruch der hyperkonduktiven

ter Richtung bis etwa 55 Volteinheiten nur ein kleiner 60 Diode durch eine Kette von Impulsen ausgeführt

Bruchteil einer Stromeinheit eines fließenden Stromes wird an Stelle eines Impulses, welcher genau in Phase

auf, und dann wird die Diode plötzlich hyperkonduk- in bezug auf die Speisewechselspannung ist. Bei vie-

tiv oder hochleitfähig, und die Spannung fällt ab, bis len Impulsen je Halbwelle muß ein Impuls sehr dicht

auf etwa eine Spannungseinheit, wie es in dem linken dem Anfang der Halbwelle liegen, wenn die Stromunteren oder Rückwärtsquadranten gezeigt wird. Die 65 führung über die Last 80 stattfinden soll. Da Impulse

Diode wird ein Leiter mit einem niedrigen ohmschen an den hochleitfähigen Dioden 60 und 70 über eine

Widerstand, und der Strom baut sich sehr schnell bis ganze Periode der Speisewechselspannung hinweg

zu mehreren Stromeinheiten auf. vorhanden sind, gibt es kein Problem des Inphase-

Claims (8)

bringens mit dem Eingangssignal. Fast eine Stromführung über volle 180° el. findet zur Last für jede Halbwelle der Speisewechselspannung statt, welche an die Klemmen 81 und 82 angeschlossen wird. In F i g. 2 ist schematisch ein anderer alternativ S benutzbarer Eingangskreis für den Apparat nach F i g. 1 veranschaulicht, in welchen gleichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen gegeben worden sind. Da nur der Eingangsteil von der Abwandlung betroffen wird, so ist der übrige Teil der Schaltung nicht besonders gezeigt worden. In Fig. 2 sind eine Kapazität 12 und die Primärwicklung 21 des Aufwärtstransformators 20 zwischen den Eingangsklemmen 10 und 11 in Reihe geschaltet. Ein Widerstand 13 ist parallel an die Primärwicklung 21 angeschlossen worden. Die Kapazität 12 und der Widerstand 13 sind hinzugefügt, um eine Sättigung des Eingangsaufwärtstransformators 20 zu verhüten, wenn das Eingangssignal anders als ein Wechselstromsignal, ζ. B. ein pulsierender Halbwellengleichstrom ist. Die Kombination der Kapazität 12 und des Widerstandes 13 ändert das pulsierende oder Halbwelleneingangssignal in einen Wechselstrom um, soweit es die Primärwicklung 21 des Aufwärtstransformators 20 betrifft. Die vorstehend beschriebene Erfindung kann einen Wechselstrom entweder an eine ohmsche, induktive oder kapazitive Last liefern. In nach früheren Vorschlägen angegebenen Schaltungen mußten die Impulse in Phase gebracht werden, um an den hochleitfähigen Dioden bei 0 und 180° zu erscheinen, wenn eine ohmsche Last gespeist wurde. Wenn eine induktive Last gespeist wurde, mußten diese Impulse in eine solche Phasenlage gebracht werden, daß sie bei 90 und 270° erschienen. Das würde bedeuten, daß ein Phasenschieber-Netzwerk erforderlich sein würde. Bei der oben beschriebenen Kette von Impulsen für das Zusammenbrechen der hyperkonduktiven Diode ist kein solches Phasenschieber-Netzwerk erforderlich, weil die Impulse über die ganze Periode hinweg verfügbar sind. Zum Schluß wird darauf hingewiesen, daß — obwohl die veranschaulichten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäße Lösungen darstellen — der nachgesuchte Schutz nicht auf die genauen gezeigten Einzelheiten beschränkt sein soll, da Abwandlungen des Apparates, wie er veranschaulicht und beschrieben worden ist, vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Patentansprüche:

1. Verstärker mit zwei stark leitenden Halbleiterdioden (Schaltdioden) im Laststromkreis, die beide vom Steuerstromkreis über ein Speicherelement abwechselnd in ihrer Leitfähigkeit gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schaltdioden (60,70) gegensinnig in Reihe mit der Last (80) und der Speisewechselspannungsquelle geschaltet sind und mittels der Spannung an einem Speicherkondensator (51) im Steuerstromkreis über vorgeschaltete Sperrgleichrichter (62, 72) parallel gesteuert werden (Fig.l).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaltdioden (60, 70) und den Sperrgleichrichtern (62, 72) Strombegrenzungswiderstände (61, 71) vorgesehen sind.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (51) abhängig vom gleichgerichteten Eingangssignal aufgeladen wird.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung des Kondensators über einen Reihenwiderstand erfolgt.

5. Verstärker nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Reihenschaltung aus dem Kondensator und dem Widerstand liegende gleichgerichtete Spannung dieser Schaltung über ein oder mehrere Filterglieder zugeführt wird.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterglied aus der Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Kondensators besteht, die parallel zu der genannten Reihenschaltung liegt.

7. Verstärker nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis der Schaltung über einen Transformator gespeist wird.

8. Verstärker nach den Ansprüchen 1 und 7 oder einem der vorausgehenden Unteransprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Primärwicklung des Transformators über einen Kondensator erfolgt.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsche Patente Nr. 1 061 829,1 061 830.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 607/383 6.67 © Bundesdruckerei Berlin