DE1050877B - Einrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses in elektrischen Stromkreisen bei Auftreten von Überströmen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, in elektrischen Stromkreisen zur Verhütung unzulässig hoher Ströme Relais oder Schütze vorzusehen, die bei Überschreiten einer zulässigen höchstzulässigen Stromstärke den zu schützenden Stromkreis öffnen. Bei diesen mit Kontakten ausgerüsteten Schaltmitteln besteht der Nachteil, daß insbesondere bei hoher Strombelastung leicht Störungen an den Kontakten auftreten können, und es ist ferner der Nachteil gegeben, daß die Auslösung der besagten Schaltmittel durch Magnetspulen nur verhältnismäßig träge erfolgen kann.

Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses in elektrischen Stromkreisen bei Auftreten von Überströmen in Gestalt eines im Stromkreis einfügbaren Sicherungsautomaten, die praktisch trägheitslos arbeitet und ohne Kontakte auskommt.

Dies gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß in dem zu schützenden Stromkreis ein in solcher Abhängigkeit vom Strom gesteuerter Halbleiterwiderstand, vorzugsweise ein Transistor, vorgesehen ist, daß er bei Überschreiten des Nennstromes den Stromkreis sperrt.

Es ist zwar an sich bekannt, Transistoren als Schalter gemeinhin zu verwenden, jedoch nicht in dieser speziellen Anwendung als Ersatz von durch Magnetspulen betätigte Überstromrelais oder -schütze. Eine solche Anwendung ist auch aus keiner der bekannten Anwendungszwecke für Transistoren ohne weiteres herleitbar.

An Hand der Fig. 1 und 2 sei die Erfindung näher erläutert. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein zu schützender Verbraucher 1 zwischen die Leitungen P und N eines Gleichstromnetzes geschaltet. In Reihe zu dem Verbraucher 1 liegt der als Sicherungsautomat verwendete Transistor 2. Parallel zum Verbraucher 1 und Transistor 2 ist über einen Vorwiderstand 3 ein Hilfstransistor 4 geschaltet. Beide Transistoren liegen in emittergeerdeter Schaltung und mögen als p-n-p-Transistoren ausgebildet sein. Es ist jedoch bei entsprechender Abwandlung der Schaltungsanordnung möglich, eine andere Transistorschaltung oder andere Transistortypen zu verwenden. Parallel zum Schalttransistor 2 liegt eine Potentiometerschaltung mit den Widerständen 5 und 6, die die steuernde Basisspannung für den Transistor 4 liefert. Desgleichen wird die steuernde Basisspannung des Transistors 2 an einer parallel zum Hilfstransistor 4 angeordneten Spannungsteilerschaltung mit den Widerständen 7 und 8 abgegriffen.

Die Wirkungsweise der dargestellten Schaltung ist folgende: Der Basisstrom des Transistors 2 sei mit Hilfe der Widerstände 7 und 8 so eingestellt, daß die in Fig. 1 a dargestellte Kennlinie K durchfahren wird.

Einrichtung
zum Unterbrechen des Stromflusses

in elektrischen -Stromkreisen
bei Auftreten von überströmen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Georg Sichling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Bis zu dem maximalen Kollektorstrom i_{c max} bleibt der Kollektorwiderstand konstant, so daß der Spannungsabfall am Transistor 2 höchstens den Wert U_{CD max} erreicht. Dabei möge der Wert i_cmax derjenigen Stromstärke entsprechen, bei deren Überschreiten der Transistor 2 den Stromkreis des Verbrauchers 1 sperren soll. Steigt nun der Strom ■ über den Wert i_{c max} an, so wird, da die Sättigung der Kennlinie erreicht ist, der Kollektorwiderstand und damit die Kollektorspannung des Transistors 2 stark ansteigen. Dadurch wird das Potential des Punktes A zwischen dem Verbraucher 1 und dem Transistor 2 so stark negativ, daß durch die stärkere negative Basisspannung des Hilfstransistors 4 dieser öffnet. Das Basispotential des Transistors 2, welches diesen Transistor unterhalb des höchstzulässigen Stromes i_{c max} geöffnet hält, wird von dem zwischen Vorwiderstand 3 und Hilfstransistor 4 liegenden Punkt B über die Widerstände 7 und 8 geliefert. Wird, wie oben beschrieben, der Transistor 4 durch das stärkere negative Potential des Punktes A geöffnet, so fällt das Potential des Punktes B, d. h. das Potential dieses Punktes wird annähernd gleich dem Emitterpotential, so daß nunmehr der Transistor 2 praktisch keinen Basisstrom mehr erhält und geschlossen wird. Es ist also durch die Anordnung nach Fig. 1 eine Einrichtung zur Überwachung des Stromes durch einen Verbraucher geschaffen, welcher wie ein Sicherungsautomat bereits auf kleine Überströme anspricht und die gefährdete Verbraucherleitung abschaltet.

809 750/389

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung zur Überwachung des durch den Verbraucher 1 fließenden Stromes läßt sich unter Umständen noch wesentlich vereinfachen, wenn für den Transistor 2 ein solcher verwendet wird, dessen Stromverstärkungsfaktor Iy = ^-

in basisgeerdeter Schaltung größer als 1 ist. In diesem Fall ist der Transistor ohne Basisspannung von sich aus normalerweise geöffnet, da der durch die Emitter-Basis-Sperrschicht fließende Strom genügend Ladungsträger erzeugt, um die Kollektorsperrschicht zu öffnen. Derartige Transistoren mit y]>l können z. B. dadurch hergestellt werden, daß in 'der Kollektorsperrschicht in η-leitender Umgebung kleine eigen- oder p-leitende Bereiche eingebaut werden, die 'den an sich bekannten Hook-Effekt erzielen, oder daß die Basis-Schicht extrem dünn gemacht wird und für die Basis ein sehr hochohmiges Material verwendet wird. Wie auch bei anderen Transistoren nimmt auch bei diesen geschilderten Transistoren der Stromverstärkungsfaktor mit steigendem Strom ab. Wird nun der in Fig. 1 a bei der Spannung f/_{co max} und dem Kolk'ktor- sttomi_cmax dargestellte Sättigungsknick überschritten, so steigt die Kollektorspannung des Transistors bereits mit einer sehr kleinen Kollektorstromstärkenänderung erheblich an. Es ist nun möglich, wie in Fig. 2 dargestellt, den Kollektor des Transistors 2 mit der Basis über einen Kondensator 21 und eine Induktivität 22 zu verbinden. Es wird dann durch die plötzliche Änderung der Kollektorspannung U_c dem Transistor 2 eine derartige Basisvorspannung gegeben, daß der Kollektorstrom i_c noch weiter ansteigt. Trotzdem erhöht sich die Kollektorspannung weiter, da der Lastwiderstand erheblich kleiner geworden ist. Die Erhöhung der Kollektorspannung bewirkt wiederum eine Vergrößerung des Stromes durch die Basis des Transistors 2. Dies setzt sich so lange fort, bis die Sättigung des Kollektorstromes des Transistors 2 erreicht ist. Nun wird die Basisspannung nicht mehr geändert, so daß kein zusätzlicher Basisstrom mehr fließen würde. Es wird jedoch der Basisstrom durch die Induktivität 22 noch kurzzeitig aufrechterhalten, so daß sich der Kondensator entlädt und damit die Basis Sperrpotential erhält und der Transistor schließt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt, und zwar soll in diesem Falle die Leistung eines Wechselstromkreises von dem Schalttransistor überwacht werden. Es ist wiederum der Verbraucher mit 1 und der Schalttranssistor mit 2 bezeichnet. X und Y mögen die Anschlußklemmen eines Wechsel-Stromnetzes sein. Um einen besonders einfachen .Aufbau der Schaltung zu erreichen und zusätzliche Hilfstransistoren zu vermeiden, ist es vorteilhaft, für den Schalttransistor 2 einen symmetrischen Transistor zu verwenden, d. h., einen Transistor, bei dem Kollektor und Emitter ihre Funktion wechseln können, so daß je nach der Polarität des Wechselstromes, beispielsweise die mit dem Pol X des Wechselstromnetzes verbundene Elektrode des Transistors· 2 einmal als Emitter und einmal als Kollektor arbeiten kann. Die sinngemäße Vertauschung von Kollektor und Emitter erfolgt durch sogenannte Symmetrieschaltungen.

Ein Beispiel für eine derartige Symmetrieschaltung ist. in Fig. 3 enthalten. Sie besteht aus dem Transformator 3, den Widerständen 4 bis 7 und den Gleichrichterelementen 8 und 9. Die Primärwicklung 3 ο des . Transformators 3 liegt in dem Spannungsabfall des Schalttransistors 2, d. h., der Transformator 3 wird von der Kollektorspannung des Transistors gespeist. Eine entsprechende Spannung tritt auf der Sekundärseite mit den beiden Wicklungshälften 3/; und 3c auf. Liegt an der Primärwicklung des Transformators 3 eine Spannung der eingetragenen Polarität, so sperrt der Gleichrichter 9, und der Gleichrichter 8 ist geöffnet. Damit nimmt der Punkt d das Potential des Punktes e an, so daß Basis und Emitter des Transistors 2 auf gleichem Potential liegen. In der nächsten Halbwelle der Wechselspannung liegen an den Schaltgeräten die in Klammern eingetragenen Potentiale. Da

ίο nun der bisherige Kollektor die Funktion des Emitters übernimmt, muß der Punkt d von e getrennt werden und das Potential des Punktes / erhalten. Man erkennt, daß während dieser Halbwelle der Gleichrichter 8 sperrt und dafür eier Gleichrichter 9 geöffnet ist, so daß der Punkt d über den Gleichrichter 9 das Potential des Punktes / annehmen kann. Auf diese Weise entspricht also das Basispotential des Transistors 2 unabhängig von der Polarität der Wechelspannung stets dem Emitterpotential, d. h., der Transistor 2 ist ständig geschlossen. Da jedoch im Normalfall der ) Transistor 2 ständig geöffnet sein soll, ist eine zusatz- _: liehe Spannungsquelle 10 vorgesehen, die der Basis eine negative Vorspannung gegenüber dem Emitter gibt. An Stelle einer derartigen negativen Vorspannung kann auch das Übersetzungsverhältnis des Transformators 3 so gewählt werden, daß eine Reststeuerspannung bleibt, die den Transistor öffnet, oder es kann ein Transistor gewählt werden, der ohne Steuerspannung ständig geöffnet ist, beispielsweise ein Transistor mit einem Stromverstärkungsfaktor y>-1.

Die bisher beschriebene Einrichtung di'ent also lediglich dem Zweck, den Schalttransistor unabhängig von der Polarität der Wechselspannung ständig geöffnet zu halten. Die Steuerung des Transistors 2 in Abhängigkeit von der Stromstärke des Verbrauchers 1 erfolgt durch einen Transformator 12, dessen Primärwicklung in dem zu schaltenden Stromkreis angeordnet ist und dessen Sekundärspannung über die Gleichrichteranordnung 11, die Steuerelektrode, in diesem Falle die Basiselektrode, den Transistor 2 beeinflußt. Bei Nennstrom im Verbraucherstromkreis soll jedoch der Gleichrichter 11 keine Spannung liefern, die die Steuerung des Transistors 2 beeinflussen kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die bei Nennstrom von dem Transformator 12 sekundärseitig erzeugte Spannung etwas unterhalt des Schwellwertes der Gleichrichteranordnung liegt. Überschreitet der Verbraucherstrom den zulässigen Höchststrom, so wird der Schwellwert überschritten und der Kondensator 13 mit dem durch die Schaltanordnung bedingten Höchststrom aufgeladen. Damit gelangt eine positive Spannung auf die Basis des Transistors 2, so daß der Transistor 2 schließt. Nun fließt durch den Verbraucher 1, ebenso wie durch die Primärwicklung des Transformators 12, kein Strom mehr, d. h. die Gleichrichteranordnung 11 liefert keine Spannung, und der Kondensator 13 kann sich über die Widerstände 15 und 16 entladen. Beim Unterschreiten des durch die Basisvorspannung 11 gegebenen Wertes öffnet der Transistor wieder. Ist der Überstrom im Verbraucher-Stromkreis inzwischen nicht abgeklungen, so wird er auf dem oben beschriebenen Wege in kurzer Zeit wieder gesperrt. Es ist vorteilhaft, den Kondensator 13 und die Widerstände 15 und 16 so zu bemessen, daß im Störungsfalle der Transistor 2 erheblich länger aus- als eingeschaltet ist und die Einsdialtdauer etwa in der Größenordnung von höchstens 1 ms liegt.

Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, hat der in Fig. 2 dargestellte Überstromschalter außer dem erheblichen Vorteil des kontaktlosen Schaltens und der

Claims (9)

äußerst geringen Trägheit den weiteren Vorteil, daß die Anlage nach einer gewissen Zeit selbsttätig wieder eingeschaltet wird, so daß beispielsweise kurzzeitige Überströme nicht zu einer dauernden Abschaltung der Anlage führen. Dieses selbsttätige Wiedereinschalten nach dem erfolgten Abschalten der Anlage kann selbstverständlich auch bei einer Einrichtung ähnlich der in Fig. 1 dargestellten erreicht werden. Das ständige Ein- und Ausschalten der Anlage kann beispielsweise über eine blinkende Lampe für eine einfache Überwachung der Anlage nutzbar gemacht werden. P Λ T E N T Λ N S P R Ü C H B :

1. Einrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses in elektrischen Stromkreisen bei Auftreten von Überströmen in Gestalt eines im Stromkreis einfügbaren Sicherungsautomaten, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu schützenden Stromkreis ein in solcher Abhängigkeit vom Strom gesteuerter Halbleiterwiderstand, vorzugsweise ein Transistor, vorgesehen ist, daß er bei Überschreiten des Neimstromes den Stromkreis sperrt.

2. Überstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem zu schaltenden Strom in einem Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall zur Steuerung des Halbleiterwiderstandes dient.

3. Überstromschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu schaltenden Strom proportionale Steuerspannung des Transistors durch entsprechende Wahl des Proportionalitätsfaktors so eingestellt ist, daß der Transistor bei Nennnstrom im Sättigungsknick seiner Steuerkennlinie anbeitet.

4. Überstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zu schaltenden Stromkreis die Primärwicklung eines Transformators angeordnet ist, dessen Sekundärspannung zur Steuerung des Transistors dient.

5. Überstromschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspannung des Transformators mit der Steuerelektrode des Halbleiterwiderstandes über eine Gleichrichteranordnung verbunden ist.

6. Überstromschalter nach Anspruch 4 und S, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung ein Kondensator geschaltet ist.

7. Überstromschalter nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator ein Widerstand geschaltet ist.

8. Überstromschalter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Halbleiterwiderstand ein symmetrischer Transistor dient.

9. Überstromschalter nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der symmetrische Transistor unabhängig von der Polarität der Netzspannung durch eine Symmetriereinrichtung stets im

gleichen Arbeitszustand gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
FTZ, 1954, S. 581 ff.;

Mitteilungen der deutschen Patentanwälte,
S. 81 bis 83.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 750/389 2.