DE1243237B - Arrangement for controlling the power supplied to a load, with two hyperconductive semiconductor elements - Google Patents
Arrangement for controlling the power supplied to a load, with two hyperconductive semiconductor elementsInfo
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Description
Anordnung zum Steuern der einer Last zugeführten Leistung, mit zwei hyperkonduktiven Halbleiterelementen Das Aufkommen von Halbleiterdioden, welche solche Eigenschaften haben, daß beim überschreiten eines gewissen näher angegebenen Stromes und von Spannungen in Rückwärtsrichtung die Diode hochleitfähig wird und danach einen wesentlichen Strom in Rückwärtsrichtung bei niedrigen Spannungen führt, hat zu vielen neuen elektronischen Anwendungen geführt. Das beschriebene Phänomen ist nicht ein Zusammenbruch gemäß einer Zener-Kennlinie, noch ist er ein lawinenartiger Zusammenbruch. Dieser einzigartige Zusammenbruch ist als hyperkonduktiver Zusammenbruch bezeichnet worden, und eine Diode, welche eine solche Eigenschaft hat, wird im nachfolgenden als eine hyperkonduktive Diode bezeichnet. Ein Beispiel einer solchen hyperkonduktiven Diode mit einer durch Steuerung umkehrbaren Zusaminepbrucheharakteristik oder einem hyperkonduktiven Zusammenbruch. kann aus den folgenden Elementen aufgebaut sein. Ein erstes Basiselement besteht aus einem Halbleiterkörper, welcher mit einer Verunreinigung dotiert ist, um einen ersten Typ von Halbleitfähigkeit, entweder von n- oder p-Charakter zu schaffen. Auf diesem ersten Basiselement befindet sich ein Emitterelement, weiches aus einem Halbleitermaterial besteht, welches rrit dem entgegengesetzten Typ von Halbleitfähigkeit dotiert ist. Dieser @mit:er kann durch Legierung einer Tablette, welche eine Dotierungsverunreinigung enthält, mit einer Platte aus Halbleitermaterial, die das erste Basisglied bildet, hergestellt werden. In der Zone zwischen dem ersten Basisgrundelement und dem Emitterelement ist ein Emitterübergang vorhanden.Arrangement for controlling the power supplied to a load, with two hyperconductive semiconductor elements The advent of semiconductor diodes, which have such properties that when exceeding a certain specified Current and voltages in the reverse direction, the diode is highly conductive and thereafter carries a substantial current in the reverse direction at low voltages, has led to many new electronic applications. The phenomenon described is not a breakdown according to a Zener characteristic, nor is it an avalanche Collapse. This unique breakdown is called a hyperconductive breakdown has been referred to, and a diode having such a property is hereinafter referred to referred to as a hyperconductive diode. An example of such a hyperconductive Diode with a control-reversible breakdown characteristic or a hyperconductive breakdown. can be composed of the following elements. A first base element consists of a semiconductor body which is contaminated with an impurity is doped to a first type of semiconductivity, either n- or p-character to accomplish. On this first base element there is a soft emitter element consists of a semiconductor material which is the opposite type of Semiconductivity is doped. This @with: he can by alloying a tablet, which contains a dopant impurity, with a plate of semiconductor material, which forms the first base member. In the zone between the first An emitter junction is present in the base primitive element and the emitter element.
Um die Einschaltung der Diode in eine elektrische Schaltung zu erleichtern, kann eine Lage aus Silber oder einem anderen guten elektrischen Leitermaterial mit der oberen Oberfläche des Emitters verschmolzen, legiert oder verlötet werden. Kupferzuleitungsdrähte können leicht an dieser Schicht angelötet werden. Eine zweite Basis von entgegengesetzter Leitfähigkeit ist nächst dem ersten Basiselement vorgesehen. Eine Zone, wo das erste und zweite Basiselement zusammentreffen, bildet einen Kollektorübergang.To facilitate the connection of the diode in an electrical circuit, can use a layer of silver or some other good electrical conductor material fused, alloyed or soldered to the upper surface of the emitter. Copper lead wires can easily be soldered to this layer. A second base from opposite Conductivity is provided next to the first base element. A zone where the first and the second base element meet, forms a collector junction.
Nächst dem zweiten Basiselement ist eine Metallmasse vorgesehen, welche eine Ladungsträgerquelle ist, die eine kritische Rolle in der Arbeitsweise der Diode spielt. Diese Metallmasse kann neutral sein, oder sie kann dieselben Dotierungseigenschaften wie das zweite Basiselement besitzen. Die Metallmasse kann auf das zweite Basiselement durch ein Lötverfahren, ein Legierungsverfahren, ein Schmelzverfahren oder ein ähnliches bekanntes Verfahren aufgebracht werden.A metal mass is provided next to the second base element, which is a source of charge carriers that plays a critical role in the functioning of the diode plays. This metal mass can be neutral or it can have the same doping properties like the second base element. The metal mass can be applied to the second base element by a soldering method, an alloying method, a melting method, or the like known method can be applied.
Es wurde bereits vorgeschlagen, derartige Dioden zur Steuerung der einer Last zugeführten Leistung zu verwenden. Zu diesem Zweck hat man den Verbraucher über eine derartige Diode und eine gegensinnig in Reihe geschaltete gewöhnliche Diode an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen. Wenn man die Größe der Wechselspannung so wählt, daß ihr Scheitelwert stets kleiner als der Wert der Durchbruchspannung der hyperkonduktiven Diode ist, dann kann über die Last kein Strom fließen, da die eine Halbwelle der Wechselspannung von der gewöhnlichen Diode und die andere Halbwelle von der hyperkonduktiven Diode gesperrt wird. Wenn man jedoch die an der hyperkonduktiven Diode liegende Spannung periodisch in denjenigen Halbwellen, die von der gewöhnlichen Diode durchgelassen werden, auf einen Wert oberhalb der Durchbruchspannung erhöht, dann kann von diesem Zeitpunkt an bis zum darauffolgenden Nulldurchgang der Wechselspannung ein Strom über die Last fließen. Die Halbwellen der anderen Polarität wurden dem Verbraucher über einen entsprechend ausgebildeten Zweig zugeführt.It has already been proposed to use such diodes to control the to use power supplied to a load. For this purpose you have the consumer via such a diode and an ordinary one connected in series in opposite directions Diode connected to an AC voltage source. If you consider the size of the alternating voltage is chosen so that its peak value is always smaller than the value of the breakdown voltage of the hyperconductive diode is, then no current can flow through the load because the one half cycle of the AC voltage from the ordinary diode and the other half cycle is blocked by the hyperconductive diode. However, if you look at the hyperconductive Diode lying voltage periodically in those half-waves that differ from the ordinary Diode are allowed to pass through, increased to a value above the breakdown voltage, then from this point in time until the next zero crossing of the alternating voltage a current will flow across the load. The half-waves of the other polarity became the Consumers supplied via a suitably designed branch.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, mit einer derartigen Reihenschaltung aus einer gewöhnlichen Diode und einer hyperkonduktiven Diode die mittlere Gleichspannung an einem Verbraucher zu verändern. Zu diesem Zweck muß aber als Speisespannung eine pulsierende, periodisch kurzzeitig Null werdende Gleichspannung verwendet werden.It has also been proposed to use such a series connection the mean DC voltage from an ordinary diode and a hyperconductive diode to change on a consumer. For this purpose, however, must be used as a supply voltage one pulsating DC voltage that periodically briefly becomes zero can be used.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Steuern der einer Last zugeführten Leistung, mit zwei hyperkonduktiven Halbleiterelementen, über die die Last an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, die eine Speisespannung mit einem Scheitelwert liefert, der unter der Durchbruchspannung der hyperkonduktiven Halbleiterelemente liegt, und mit einer Steuereinrichtung, mit deren Hilfe die an den beiden hyperkonduktiven Halbleiterelementen zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb jeder Halbwelle der Speisewechselspannung abwechselnd auf einen Wert über der Durchbruchspannung erhöht wird.The invention relates to an arrangement for controlling the amount supplied to a load Power, with two hyperconductive semiconductor elements via which the load is transferred to a AC voltage source is connected, which has a supply voltage with a peak value supplies which is below the breakdown voltage of the hyperconductive semiconductor elements is, and with a control device, with the help of which the two hyperconductive Semiconductor elements at a certain point in time within each half-wave of the AC supply voltage increased alternately to a value above the breakdown voltage will.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hyperkonduktiven Halbleiterelemente gegensinnig in Reihe geschaltet sind und daß die Steuereinrichtung eine beiden hyperkonduktiven Halbleiterelementen zugeführte Steuerwechselspannung liefert.The invention is characterized in that the two hyperconductive Semiconductor elements are connected in series in opposite directions and that the control device an alternating control voltage fed to both hyperconductive semiconductor elements supplies.
Dadurch läßt sich der Aufwand zum Steuern der einem Verbraucher zugeführten Wechselspannung im Vergleich zu den vorerwähnten Anordnungen wesentlich herabsetzen.As a result, the effort for controlling the one supplied to a consumer can be Reduce AC voltage significantly compared to the aforementioned arrangements.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand eines in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert; F i g. 2 ist eine graphische Darstellung der Eigenschaften der hyperkonduktiven Diode, wie sie in Verbindung mit der Erfindung benutzt werden kann; F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Kurvenform der Spannungen, welche an ausgewählten Punkten des Gerätes nach F i g. 1 auftreten; F i g. 4 ist eine graphische Darstellung von Kurvenformen, wie sie sich bei einer Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ergeben.Further details and advantages of the invention are based on a in Fig. 1 illustrated embodiment explained; F i g. 2 is a graphic Representation of the properties of the hyperconductive diode as they are related can be used with the invention; F i g. 3 is a graph the curve shape of the voltages, which at selected points of the device according to F i g. 1 occur; F i g. 4 is a graph of waveforms such as they are in a circuit arrangement according to FIG. 1 result.
In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bezeichnen 20 eine Wechselstromquelle, 61 und 62 hyperkonduktive Dioden, 30 eine Steuerschaltung und 80 eine Last.In the embodiment according to FIG. 1, 20 denote an AC power source, 61 and 62 hyperconductive diodes, 30 a control circuit and 80 a load.
Die Wechselspannungsquelle 20 ist in Reihe mit der hyperkonduktiven Diode 61, einer Sekundärwicklung des Impulstransformators 34, der hyperkonduktiven Diode 62 und der Last 80 geschaltet. Auf diese Weise sind die Dioden 61 und 62 gegensinnig in Reihe geschaltet. Die Steuerschaltung 30 enthält eine Phasenschiebervorrichtung 31, einen Multivibrator 32, ein differenzierendes Netzwerk 33 und einen Impulstransformator 34. Die Phasenschiebervorrichtung 31 ist an die Wechselstromquelle 20 angeschlossen. Der Ausgang der Phasenschiebervorrichtung 31 ist an einen Eingang des Multivibrators 32 angeschlossen. Der Ausgang des Multivibrators 32 ist an den Eingang des differenzierenden Netzwerkes 33 angeschlossen. Der Ausgang des differenzierenden Netzwerkes 33 ist an eine Primärwicklung des Impulstransformators 34 angeschlossen.The AC voltage source 20 is in series with the hyperconductive one Diode 61, a secondary winding of the pulse transformer 34, the hyperconductive Diode 62 and the load 80 switched. In this way, the diodes 61 and 62 are in opposite directions connected in series. The control circuit 30 includes a phase shift device 31, a multivibrator 32, a differentiating network 33 and a pulse transformer 34. The phase shifter device 31 is connected to the AC power source 20. The output of the phase shifter device 31 is connected to an input of the multivibrator 32 connected. The output of the multivibrator 32 is to the input of the differentiating Network 33 connected. The output of the differentiating network 33 is connected to a primary winding of the pulse transformer 34.
Die Kurve in F i g. 2 zeigt, wie eine hyperkonduktive Halbleiterdiode, wie sie für die Dioden 61 und 62 benutzt wird, auf das Anlegen verschiedener Spannungen anspricht. Wenn der obere rechte Quadrant (Flußrichtung) betrachtet wird, ist zu erkennen, daß, wenn eine Flußspannung in der Größenordnung von einer Spannungseinheit angelegt wird, sich ein Strom bis zu etwa 3 Stromeinheiten aufbaut. Wenn die Spannung umgekehrt wird, so baut sich in der Sperrichtung bis zu etwa 55 Spannungseinheiten ein fließender Strom von nur einem kleinen Bruchteil einer Stromeinheit auf, und dann wird die Diode plötzlich hochleitfähig oder hyperkonduktiv, und die Spannung fällt bis zu etwa einer Spannungseinheit ab, wie es in dem unteren linken Quadranten (Sperrichtung) gezeigt ist. Die Diode wird dann ein Leiter reit niedrigem ohmschem Widerstand, und der Strom baut sich schnell bis zu mehreren Stromeinheiten auf.The curve in FIG. 2 shows how a hyperconductive semiconductor diode, as used for diodes 61 and 62, to the application of different voltages appeals to. When the upper right quadrant (direction of flow) is considered, it is closed recognize that when a forward voltage is of the order of a unit voltage is applied, a current builds up to about 3 current units. When the tension is reversed, up to about 55 voltage units build up in the reverse direction a flowing stream of only a small fraction of a unit of current, and then suddenly the diode becomes highly conductive or hyperconductive, and so does the voltage drops to about a unit of voltage, as it does in the lower left quadrant (Reverse direction) is shown. The diode then becomes a conductor with a low resistance Resistance, and the current quickly builds up to several units of current.
Wie in dem Sperrichtungsquadranten gezeigt ist, fällt, wenn die Diode zusammenbricht, die Spannung entlang einer im wesentlichen geraden Linie bis zu etwa einer Spannungseinheit ab, und es wird nur eine sehr geringe Leistung als Verlustleistung verbraucht, um die Diode hochleitfähig in der Sperrrichtung zu erhalten. Die Diode kann wieder in den Zustand hohen Widerstandes in der Sperrichtung durch Herabsetzung des Stromes unter einen minimalen Schwellwert und der Spannung unter den Zusammenbruchswert übergeführt werden. Demzufolge kann die Kurve, wenn erwünscht, durch eine geeignete Steuerung der Größe des Sperrstromes und der Spannung wiederholt durchlaufen werden.As shown in the reverse direction quadrant, when the diode falls collapses, the tension along a substantially straight line up to about a voltage unit, and there is only a very small amount of power as power dissipation consumed to keep the diode highly conductive in the reverse direction. The diode can return to the high resistance state in the reverse direction by reducing it of the current below a minimum threshold and the voltage below the breakdown value be transferred. Accordingly, the curve can, if desired, by a suitable Control of the size of the reverse current and the voltage can be run through repeatedly.
Es wird nunmehr wieder auf F i g. 1 Bezug genommen. Der Spitzenwert der Wechselspannungsquelle 20 ist so bemessen, daß er einen kleineren Wert hat als die kritische Zusammenbruchsspannung in Sperrichtung der Dioden 61 und 62. Auf diese Weise kann kein Strom über die Last 80 fließen, bis die Steuerschaltung 30 zusätzliche Zusammenbruchsspannungsimpulse an der entsprechenden hyperkonduktiven Diode 61 bzw. 62 hinzugefügt hat.It is now back to FIG. 1 referred to. The top value the AC voltage source 20 is dimensioned so that it has a smaller value than the critical breakdown voltage in the reverse direction of diodes 61 and 62. On this Way, no current can flow through the load 80 until the control circuit 30 additional Breakdown voltage pulses at the corresponding hyperconductive diode 61 or 62 added.
Der Multivibrator 32 kann irgendeiner bekannten Art sein. Er kann entweder ein solcher sein, der mit Röhren oder mit Halbleiterventilen arbeitet. Im Interesse der größeren Zuverlässigkeit kann ein Halbleiter- oder statischer Multivibrator benutzt werden.The multivibrator 32 can be of any known type. He can either one that works with tubes or with semiconductor valves. In the interests of greater reliability, a semiconductor or static multivibrator can be used to be used.
Der Multivibrator benutzt die Eigenschaften von Schalttransistoren in Verbindung mit einem sättigungsfähigen Magnetkern, um eine Ausgangsleistung rechteckiger Spannungskurvenform zu erzeugen. Es wird Vorsorge für das Anlegen einer Eingangsspannung getroffen, welche die Frequenz der Spannung rechteckiger Kurvenform bestimmt.The multivibrator uses the properties of switching transistors in conjunction with a saturable magnetic core to make an output power more rectangular Generate voltage waveform. There will be provision for the application of an input voltage taken, which determines the frequency of the voltage of rectangular waveform.
In F i g. 1 wird die Ausgangsspannung V2 rechteckiger Kurvenform vom Multivibrator 32 über das differenzierende Netzwerk 33 der Primärwicklung des Impulstransformators 34 zugeführt. Die Spannung V3, welche an der Primärwicklung des Transformators 34 erscheint, hat die Form eines Impulses, welcher mit der von der elektrischen Energiequelle 20 gelieferten bestehenden Speisespannung zusammenwirkt, um die hyperkonduktiven Dioden 61 und 62 abwechselnd zum Zusammenbrechen zu bringen, so daß der Last 80 ein Strom zugeführt wird. Die Steuerschaltung 30 ist synchronisiert oder mit der Wechselspannungsquelle 20 durch die in F i g. 1 gezeigte Schaltung gesteuert, so daß die Impulsspannung V4 die Speisespannung in der Überwindung des Rückwärtswiderstandes der entsprechenden der Dioden 61 und 62 unterstützt, welche den Stromfluß über die Last 80 sperren. Wenn die Summe aus der Impulsspannung V4 und der Speisespannung V1 die Zusammenbruchsspannung der entsprechenden Diode 61 oder 62, welche die Speisung der Last sperrt, überschreitet, wird jene Diode leiten, und es wird ein Strom über die Last 80 fließen. Die soeben beschriebenen Kurvenformen sind graphisch in F i g. 3 wiedergegeben, um die entsprechenden Beziehungen und den resultierenden Strom JL zu zeigen, welcher über die Last 80 fließt.In Fig. 1, the output voltage V2 with a rectangular waveform is fed from the multivibrator 32 via the differentiating network 33 to the primary winding of the pulse transformer 34. The voltage V3, which appears on the primary winding of the transformer 34, has the form of a pulse which cooperates with the existing supply voltage supplied by the electrical energy source 20 in order to bring the hyperconductive diodes 61 and 62 alternately to collapse, so that the load 80 a current is supplied. The control circuit 30 is synchronized or with the AC voltage source 20 by the in FIG. 1 is controlled so that the pulse voltage V4 assists the supply voltage in overcoming the reverse resistance of the corresponding one of the diodes 61 and 62, which block the flow of current through the load 80. If the sum of the pulse voltage V4 and the supply voltage V1 exceeds the breakdown voltage of the corresponding diode 61 or 62, which blocks the supply of the load, that diode will conduct and a current will flow through the load 80 . The waveforms just described are graphically shown in FIG. 3 to show the corresponding relationships and the resultant current JL flowing through the load 80.
Die Einschaltung des Phasenschiebers 31 zwischen der Bezugsfrequenz, welche von der Wechselspannungsquelle 20 geliefert wird, und dem Multivibrator 32 macht es möglich, den effektiven Strom über die Last 80 durch Veränderung der Phasenlage zwischen der Speisespannung V, und der Multivibratorausgangsspannung V, zu steuern. Der effektive Strom JL kann von annähernd 0 bis zu annähernd 0,707 (V1 Spitze)/RL, wobei RL der Widerstand der Last ist, durch Veränderung der Phasenwinkelabweichung O zwischen der Kurvenform der steuernden Ausgangsspannung V, und der Speisespannung V1 vermittels der Phasenschiebervorrichtung 31, wie sie in F i g. 3 bezeichnet ist, zwischen 0 und 90° verändert werden.Switching on the phase shifter 31 between the reference frequency, which is supplied by the AC voltage source 20, and the multivibrator 32 makes it possible to determine the effective current through the load 80 by changing the phase position between the supply voltage V, and the multivibrator output voltage V, to control. The effective current JL can range from approximately 0 to approximately 0.707 (V1 peak) / RL, where RL is the resistance of the load by changing the phase angle deviation O between the waveform of the controlling output voltage V, and the supply voltage V1 by means of the phase shifter device 31, as shown in FIG. 3 is designated, can be changed between 0 and 90 °.
Es ist möglich, eine Veränderung der Ausgangswerte zur Last 80 durch Veränderung der relativen Zeitwerte der positiven und negativen Teile der Spannung V., rechteckiger Kurvenform innerhalb einer Periode zu erreichen. Zum Beispiel kann der positive Teil der Spannung V., rechteckiger Kurvenform, wie es in F i g. 4 gezeigt ist, dreimal länger als der negative Teil sein. Die resultierenden Stromkurvenformen für den Strom JL, welche sich ergeben, sind in F i g. 4 auch gezeigt. Es ist augenscheinlich, daß der Mittelwert des Laststromes nicht mehr 0 ist, da die Kurvenform nicht symmetrisch ist. Die Anwendung hyperkonduktiver Dioden 61 und 62 in dem in F i g. 1 veranschaulichten Apparat erlaubt die Steuerung beider, des Phasenwinkels O und des Phasenwinkels (0-1-c1), so daß beide, der Effektivwert und der Mittelwart des Stromes, über die Last 80 gesteuert werden. Die Änderung der relativen Länge der Zeiten der positiven und negativen Teile der Ausgangsspannung V., des Multivibrators innerhalb einer Periode wird- durch die Steuerung der Schaltungsparameter in dem gewählten Multivibratorkreis in einer wohlbekannten Weise durchgeführt.It is possible to change the output values for load 80 Change in the relative time values of the positive and negative parts of the voltage V. to achieve a rectangular waveform within one period. For example can the positive part of voltage V., rectangular waveform, as shown in FIG. 4 shown is to be three times longer than the negative part. The resulting current waveforms for the current JL, which result, are shown in FIG. 4 also shown. It is evident that the mean value of the load current is no longer 0 because the curve shape is not symmetrical is. The use of hyperconductive diodes 61 and 62 in the FIG. 1 illustrated Apparatus allows control of both phase angle θ and phase angle (0-1-c1) so that both the RMS value and the mean value of the current are above the Load 80 can be controlled. The change in the relative length of the times of the positive and negative parts of the output voltage V., of the multivibrator within one Period is determined by controlling the circuit parameters in the selected multivibrator circuit performed in a well known manner.
Es sind Magnetverstärker vorgeschlagen worden, um den Phasenwinkel 0 zu steuern, aber die hyperkonduktiven Dioden bei einer erfindungsgemäßen Anordnung, wie sie beschrieben ist, werden viel schneller als magnetische Verstärker ansprechen, da die Schaltung der Betriebszustände einer hyperkonduktiven Diode in Zeiten durchgeführt werden kann, die wesentlich geringer sind als die Größenordnung einer Mikrosekunde. Auch sind Transistoren in schaltenden Kreisen vorgeschlagen worden, um beide - den Phasenwinkel 0 und den Phasenwinkel (0+(-b) - zu steuern, aber die hyperkonduktiven Dioden sind leichter für Anwendung bei höheren Leistungen anpassungsfähig als die verfügbaren Transistoren.Magnetic amplifiers have been proposed to control the phase angle 0, but the hyperconductive diodes in an arrangement according to the invention as described will respond much faster than magnetic amplifiers, since the switching of the operating states of a hyperconductive diode can be carried out in times that are much less than the order of a microsecond. Transistors in switching circuits have also been proposed to control both phase angle 0 and phase angle (0 + (- b) - but the hyperconductive diodes are more easily adaptable for higher power applications than the available transistors.
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- 1959-06-09 DE DEW25784A patent/DE1243237B/en active Pending
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