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Anordnung zum Schutz von Induktivitäten gegen Überspannungen
Es ist bekannt, Induktivitäten gegen Überspannungen, die beim Abschalten auftreten können, da- durch zu schützen, dass man bei gleichstromgespeisten Induktivitäten parallel zu diesen sogenannte Null- dioden anordnet. Diese einfache Massnahme ergibt jedoch nur bei einer Gleichstromspeisung bestimmter
Polarität einen Schutz. Beim Umpolen von Induktivitäten ist darüber hinaus auch eine Umpolung der i Nullanoden durch entsprechende Schalteinrichtungen notwendig. Die hiezu benötigten Schaltmittel arbei- ten aber so träge, dass ein Umpolen nur unter einer bestimmten Geschwindigkeit erlaubt ist. Ferner sind derartige kontaktbehaftete Einrichtungen der Abnützung und Verschmutzung unterworfen.
Dabei eignen sich die bekannten Massnahmen für den Schutz von schnell umgepolten oder wechselstromgespeisten
Induktivitäten nicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln die genannten Nachteile zu beseitigen und einen sicher wirkenden Überspannungsschutz für Induktivitäten zu bekommen, der bei häufiger und schneller
Umpolung und auch beiWechselstromspeisung einwandfrei arbeitet. Dies gelingt bei einer Anordnung zum
Schutz von Induktivitäten gegen Überspannungen beim Abschalten durch dabei wirksam werdende Parallel- pfade gemäss der Erfindung dadurch, dass zum Schutz von umpolbaren Induktivitäten beim Abschalten oder Umpolen im Parallelpfad mindestens ein Vierschichthalbleiter mit Kippverhalten angeordnet ist, der nur bei Überspannung einen Stromfluss durch den Parallelpfad zulässt.
Als Vierschichthalbleiter mit Kippverhalten können zwei Arten verwendet werden, wobei beide in
Sperrichtung gesehen gleiche Stromspannungskennlinien haben, die im wesentlichen darin bestehen, dass bis zum Erreichen der sogenannten Durchbruchsspannung praktisch kein Stromfluss in Sperrichtung möglich ist, dass aber bei Überschreiten derDurchbruchsspannung ein starker Strom auftritt, der praktisch unabhän- gig von der Spannung ist und schon bei Bestehen einer geringen Haltespannung bzw.
eines geringen Hal- testromes weiterfliesst. In Durchlassrichtung unterscheiden sich jedoch beide Arten der Vierschichthalblei- tertypen in der Grösse ihrer Öffnungsspannung, bei deren Überschreiten ein Strom auftritt und so lange be- stehen bleibt, solange die angelegte Spannung grösser als die Öffnungsspannung ist. Im einen Fall ist die Öffnungsspannung wesentlich geringer als die Durchbruchsspannung (einseitig sperrender Vierschichthalb- leiter), während im andern Fall die Öffnungsspannung nur etwas unterhalb der Durchbruchsspannung liegt (beidseitig sperrender Vierschichthalbleiter).
Es ist an sich bekannt, die Durchbruchsspannung von Dreischichthalbleitern, die kein Kippverhalten aufweisen, zum Schutz von Anlagenteilen gegen Überspannungen zu verwenden, indem diese Dreischicht- halbleiter als spannungsabhängige Widerstände zwischen der Sperrleitung und Erde parallel zum Schütz- ling angeordnet werden. Hiebei wird der Widerstand des Dreischichthalbleiters plötzlich sehr klein, wenn die an ihn angelegte Spannung seine Durchbruchsspannung überschreitet. Diese Widerstandsverringerung bleibt jedoch nur so lange bestehen, bis die Spannung am Dreischichthalbleiter wieder unter den Durch- bruchswert gesunken ist.
Halbleiterkörper mit solcher Widerstandscharakteristik sind jedoch für den Schutz von Überspannun- gen an Induktivitäten, d. h. an Schaltungselementen mit zumindest vorübergehend eingeprägten Strömen nicht brauchbar, da sie keinen geeigneten Parallelpfad zum Induktor zwecks Entladung desselben ergeben können. Dies gelingt nur mit Vierschichthalbleitern der genannten Art.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind an Hand einiger Ausführungsbeispiele in der Zeichnung nach- folgend näher erläutert.
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Nach Fig. 1 ist einer Induktivität 1, die über einen zweipoligen Schalter 2 an einer Spannungsquel- e 3 anschaltbar ist, ein Parallelpfad 4 zugeordnet, der aus der Reihenschaltung eines beidseitig sperren- den Vierschichthalbleiters 5 mit einem Strombegrenzungswiderstand 6 besteht. Die Stromspannungskenn- linien des Vierschichthalbleiters 5 sind in Fig. 5 mit I bezeichnet. Es ist daraus ersichtlich, dass in Sperri richtung die Durchbruchsspannung UD dem Betrag nach etwas grösser als die Öffnungsspannung Uö in
Durchlassrichtung ist. Die Betriebsspannung, die normalerweise an der Induktivität anliegt, beträgt UB.
Es ist ersichtlich, dass UB kleiner als UD und kleiner als Uö ist. Auf diese Weise ist der Parallelpfad im
Normalbetrieb gesperrt nach beiden Richtungen, wenn die Induktivität einmal in der einen Stromrichtung oder nach der andern Stromrichtung dauernd durchflossen wird, je nach der Art der Polarität der angelegten Gleichspannung. Beim Abschalten der Induktivität 1 durch Öffnen des Schalters 2 tritt jedoch eine Überspannung Uü auf, die grösser als die Durchbruchsspannung ist und damit auch grösser als die Öffnungs- spannung Uö. Es erfolgt somit je nach der vorhergehenden Stromrichtung im Induktor eine Beanspruchung des Vierschichthalbleiters in Sperrichtung oder in Durchlassrichtung und in beiden Fällen erfolgt ein Strom- fluss.
Dieser Stromfluss hält bei Beanspruchung des Parallelpfades in Sperrichtung so lange an, bis sich der
Induktor so weit entladen hat, dass der Strom unterhalb des Haltestroms sinkt und der Vierschichthalblei- ter selbsttätig wieder sperrt. Hat dagegen der Stromfluss eine solche Richtung bei Öffnen des Schalters 2, dass der Vierschichthalbleiter in Durchlassrichtung beansprucht wird, dann bleibt er nur so lange durch- lässig, wie die treibende Spannung grösser als dieÖffnungsspannung ist. Nach Unterschreiten der Öffnung- spannung wird der Entladestromkreis des Induktors wieder gesperrt.
Eine solche Einrichtung eignet sich daher vorzugsweise für den Überspannungsschutz von Induktivitäten, deren Stromstärken in beiden Rich- tungen verschieden gross sind, so dass die in Durchlassrichtung in dem Vierschichthalbleiter in Wärme um- gesetzte Energie nicht zu gross ist.
Wenn die in der Induktivität gespeicherte Energie für beide Stromrichtungen gross ist, so sind gemäss
Fig. 2 zwei derartige Parallelpfade 4a und 4b mit je einem beidseitig sperrenden Vierschichthalbleiter 5a und 5b und gegebenenfalls einem Strombegrenzungswiderstand 6a und 6b parallel zum Induktor 1 anzu- ordnen. In diesem Fall ist in beiden Stromrichtungen ein Entladen des Induktors bis auf einen geringen dem Haltestrom entsprechenden Reststrom möglich, wobei die Energie in den Widerständen in Wärme umgesetzt wird. Dass dabei gleichzeitig auch vorübergehend der zweite Parallelpfad in Durchlassrichtung geöffnet ist, kann für die Schnelligkeit der Entladung nur von Vorteil sein.
Man kann jedoch ein vorüber- gehendes Mitansprechen des zweiten Parallelpfades auch dadurch verhindern, dass man gemäss Fig. 3 in jeden der beiden Parallelpfade eine Sperrdiode 7a und 7b, derenDurchlassrichtung der Durchlassrichtung der Vierschichthalbleiter gerade entgegengesetzt ist, einfügt. Gleiche Elemente wie in Fig. 2 sind hie- bei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Wirkungsweise entspricht im übrigen der Wirkungs- weise der Anordnung nach Fig. 2. Bei Verwendung von Sperrdioden, die einen Stromfluss durch den Vier- sctuchthalbleiter inDurchlassrichtung unterbinden, können an Stelle von beidseitig sperrenden Vierschicht- halbleitern aus insbesondere Silizium auch einseitig sperrende Vierschichthalbleiter verwendet werden.
An der Wirkungsweise ändert sich hiebei nichts.
Es ist zu bemerken, dass die Sperrspannung der Vierschichthalbleiter grösser als die zulässige Über-
EMI2.1
Falls die Sperrspannung eines. solchen Vierschichthalbleiters mit Kippverhalten geringer als die Betriebsspannung am Induktor ist, so ist es notwendig, mehrere solcher Vierschichthalbleiter in Reihe hintereinander im Parallelpfad anzuordnen, wie dies in Fig. 4 für das einfachste Beispiel nach Fig. 1 gezeigt ist. Es sind hiebei zwei beidseitig sperrende Vierschichthalbleiter 5'und 5"hintereinander mit einem Widerstand 6'geschaltet, die zusammen mit zu den Vierschichthalbleitern parallelen ohmschen und bzw. oder kapazitiven Widerständen 8'und 8"den Parallelpfad 4"ergeben. Eine solche Hintereinanderschaltung mehrerer Vierschichthalbleiter der einen oder andern Art kann auch entsprechend bei den Anordnungen nach Fig. 2 und 3 erfolgen. Ebenso können gegebenenfalls mehrere Sperrdiodenin Reihe geschaltet sein.
Es ergibt sich somit auf einfache Weise eine selbsttätig wirkende Schalteinrichtung zum Schutz von Induktivitäten beim Abschalten oder Umpolen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, derartige Vierschichthalbleiter durch Anschluss einer dritten Elektrode und Anlegen eines Steuerpotentials an diese dritte Elektrode zu jedem gewünschten Zeitpunkt zu zünden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Überspannung nur sehr unwesentlich über der Durchbruchsspannung oder gar etwas unterhalb der Durchbruchsspannung liegt.