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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichterschaltung.
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Überal-l dort, wo Spannungen gleichgerichtet werden müssen, kommen
Dioden zum Einsatz. Bei kleinen bis mittleren Spannungen werden überwiegend Siliciumdioden
verwendet. In einigen speziellen Fällen gelangen auch sogenannte Schottky-Dioden
zum Einsatz. Dioden sind Halbleiter, die den Strom bevorzugt in einer Richtung fließen
lassen. Legt man eine positive Spannung an, wird die Diode in Durchlaßrichtung betrieben.
Bei negativen Spannungen sperrt die Diode. Der Sperrstrom ist im allgemeinen um
einige Zehnerpotenzen kleiner als der Durchlaßstrom, und die Durchlaßspannung liegt
bei Germanium etwa im Bereich von 0,2 bis 0>4 V, bei Sil icium etwa zwischen
0,5 und 0,8 V.
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Beim Einsatz von Dioden zum Gl eichrichten verbleibt somit eine Restspannung,
die an der Diode abfällt, wenn diese in Durchlaßrichtung betrieben wird. Diese Restspannung
liegt bei Silicium-Dioden in dem oben genannten Bereich von 0,5 bis 0/8 V. Es entsteht
somit eine Verlustleistung von durchfl ießendem Strom mal abfallender Spannung.
Ferner weisen Dioden einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, so daß Dioden
nicht direkt parallel geschaltet werden können, um einen leistungsstärkeren Gleichrichter
zu erhalten.
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Bei Schottky Dioden liegt zwar die Restspannung nur bei ca. 0,4 V.
Diese Dioden sind jedoch wesentlich empfindlicher als Silicium-Dioden, haben meist
nur Sperrspannungen etwa zwischen 20 und 50 Volt und sind um ein Viel faches teurer
als Silicium-Dioden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichterschaltung
zu schaffen, bei der eine
geringere Verlustleistung anfällt als
bei Silicium-Dioden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gleichrichterschaltung
gelöst, die durch einen mit Kollektor und Emitter in einen Wechselspannungskreis
geschalteten Transistor gekennzeichnet ist, dessen Basis-Emitter-Diode in Durchlaarichtuny
mit einer unterhalb der Durchlaßspannunq liegenden Spannung vorgespannt ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Ausnutzung einer speziellen
Eigenschaft eines Transistors, insbesondere Silicium-Transistors. Wird zum Beispiel
ein NPN-Transistor mit einem Basisstrom angesteuert, so kann ein Strom vom Kollektor
zum Emitter fließen.
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Bei gleicher Ansteuerung kann aber auch ein entgegengesetzt gerichteter
Strom fließen. In diesem Fall fließt der Strom vom Emitter zum Kollektor. Auch hierbei
findet eine Stromverstärkung statt, wobei der Basisstrom nicht über den Emitter,
sondern über den Kollektor abfließt. Wenn man diese Tatsache ausnutzt, kann man
somit die gegenüber der Sperrspannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors wesentlich
höhere Sperrspannung der Basis-KollektorDiode ausnutzen.
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Um die vorstehend beschriebene Wirkung zu erreichen,muß die Basis
des Transistors mit einer Spannung angesteuert werden, die unterha-lb der Durchlaßspannung
der Basis Emitter-Diode des Transistors liegt. Wenn dann die Spannung am Kollektor
positiv gegenüber Masse ist, sperrt der Transistor Ist jedoch die Spannung am Kollektor
negativ, so leitet der Transistor vom Emitter zum Kollektor und es findet eine Verstärkung
statt.
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Diese Verstärkung ist abhängig vom Kollektorstrom; je geringer der
Kollektorstrom ist, desto größer ist die nutzbare Verstärkung Die Vorteile einer
derartigen "Dioden-Ersatzschaltung" liegen darin, daß sich die Restspannung nur
auf 0,1
bis 0,2 V beläuft, wodurch sich die Verlustleistung auf
weniger als 258 einer Silicium-Diode verringe-rt.
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Weiterhin verhalten sich in dieser Art betriebene Transistoren ähnllch
wle ohmsche Widerstände und können bedenkenlos parallel geschaltet werden, da sich
der Strom gleichmäßig auf alle beteil igLen "Transistor-Dioden" aufteilt. Durch
Parallelschaltung von mehreren Transitoren ist eine weitere Verringerung der Verl
ustle lstung nlögllch, da eine kleinere Ansteuerlelstung erforderlich Ist, oder
die Restspannung verrlngert wird. Es Ist möglich, sehr vlele Translstoren parallel
zu schalten, wodurch eine sehr hoch belastbare und extrem schnelle "Transistor-Diode"
entsteht.
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Die hier beschrlebene "Dioden-Ersatzschaltung" weist bis zur lleaxtmalen
Stromauslastung des Transistors eine bessere Wlrkung in bezug auf die Verlustleistung
gegenüber einer herkömmlichen Silicium-Diode auf.
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Da die Restspannung vom durchfl@eßenden Strom abhängig ist, ergeben
sich ferner Vorteile In bezug auf die Funkentstörung, insbesondere bei Schaltnetzteilen.
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Bei der erflndungsgemäß ausgebildeten Gleichrichterschaltung kann
der Transistor mit einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung vorgespannt sein.
Bei einer speziellen Ausführungsform wird die Basis des Transistors durch eine Wechselspannungsquelle
angesteuert, die eine Sekundärwicklung eines Transformators Ist. Es versteht sich,
daß die Ansteuerungsspannung unter der Durchl aßspannung der Basis-Emitter-Diode
des Transistors liegen muß, d.h. einen solchen Wert aufweisen muß, daß der Transistor
in Durchlarichtung der Basis-Emitter-Diode gerade noch sperrt.
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Hierbei genügt es jedoch im allgemeinen, die Wechselspannungsquelle
gerade für die Durchlaßspannung (etwa 0,7 V) auszulegen, da die Spannung bei Belastung
ohnehin etwas niedriger wird.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform> bei der der
Transistor durch eine Wechselspannungs-
quelle vorgespannt ist,
die eine Sekundärwicklung eines Transformators list, ist zweckmäßigerweise dem gleichen
Transformatorkern eine Hi lfswicklung zugeordnet, die zum Vorspannen des Transistors
eingesetzt ist. Eine derartige Schaltung wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Die Schaltungen können in bekannter Weise mit entsprechenden Siebkondensatoren ausgestattet
sein.
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Es versteht sich, daß die Erfindung sowohl auf NPN-als auch auf PNP-Transistoren
anwendbar ist. Bei den PNP-Transistoren fließen lediglich alle Ströme in entgegengesetzter
Richtung wie bei den vorstehend beschriebenen NPN-Transistoren.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit der Zeichnung im einzelnen b-eschr-i eben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Gleichrichterschaltung mit Gleichspannungsquelle
und NPN-Transistor, wobei daneben eine vergleichbare Diodenschaltung gezeigt ist;
Fig. 2 eine Gleichrichterschaltung wie in Fig.1 mit Gleichspannungsquelle, die jedoch
einen PNP-Transistor aufweist; Fig. 3 eine Gleichrichterschaltung mit Transformator,
Hilfswicklung und NPN-Transistor; und Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Schaltung
mit PNP-Trans i stor.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Gleichrichterschaltungl die eine direkte
Ersatzmögl ichkeit für eine Diode darstellt, wird die Basis B eines mit Kollektor
C und Emitter E in einen Wechselspannungskreis geschalteten Transistors 1 mit einer
Gleichspannung angesteuert. Als Spannungsquelle kann beispielsweise eine Batterie
2 dienen. Die von der Batterie 2 gelieferte Spannung muß so groß sein, daß die Bas-is-Emitter-Diode
3 des Transistors in Durchgangsrichtung mit einer unterhalb der Durchlaßspannung
liegenden Spannung vorgespannt ist. Mit anderen Worten, der Transistor soll in Durchlaßrichtung
gerade noch sperren.
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Wenn man von einer Durchlaßspannung von 0,7 V ausgeht, wird daher
die Basis des Transistors mit einer geringeren Spannung als 0,7 V angesteuert.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Transistor handelt es sich um einen
NPN-Transistor. Wenn der Kollektor C positives Potential gegenüber dem Emitter E
hat, fließen keine Ströme (kleine Leckströme ausgenommen).
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Wenn der Kollektor negatives Potential gegenüber dem Emitter hat,
fließt ein Basisstrom über den Kollektor und ein Strom vom Emitter zum Kollektor
(d.h. in umgekehrter Richtung wie beim Normalbetrieb). Der Transistor leitet.
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Die Sperrspannung dieser Diode setzt sich aus der Spannung der Batterie
2 und der Sperrspannung der Kollektor-Basis-Diode (UcB) zusammen. Die in Fig.1 dargestellte
Transistor-Batterie-Schaltung kann die zum Vergleich gezeigte Diode in dieser Polarität
direkt ersetzen.
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In Fig. 2 ist die gleiche Schaltung wie in Fig.1 dargestellt mit
der Ausnahme, daß es sich hierbei um einen PNP-Transistor handelt. Alle Ströme fließen
hierbei
in entgegengesetzter Richtung.
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In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glcichrichtcrschal
tung bzw. "i)i odcr7-Ersatzschai tung" gezeigt. Da man in vielen hüllen eine Gleichspannung
benötigt, die galvanisch von einer Wechselspannung getrennt ist, wird hierbei ein
Transformator 9 verwendet.
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Die Primärwicklung 10 des Transformators 9 ist entweder direkt an
eine Wechselspannung oder an eine entsprechend getaktete Gleichspannung gelegt (Schaltnetzteil).
Die Wechselspannung an der Sekundärwicklung 11 wird mit Hilfe des Transistors 13
gleichgerichtet, Die Hilfswicklung 12 erzeugt die Hilfsspannung für den Transistor
13 zum Ansteuern der Basis. Diese Spannung muß unterhalb der Durchlaßspannung der
Basis-Emitter-Diode 15 des Transistors liegen. Im übrigen funktioniert der Transistor
wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Der dargestellte Siebkondensator
14 dient zur Glättung der Gleichspannung.
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Fig. 4 zeigt die gleiche Schaltung wie in Fig. 3, jedoch mit einem
PNP-Transistor versehen. Alle Ströme fließen hierbei in entgegengesetzter Richtung.