DE1070280B

DE1070280B - Quick release circuit breaker

Info

Publication number: DE1070280B
Application number: DE1958S0057901
Authority: DE
Inventors: Gerard Delloue
Original assignee: SOC D CONST D APP BARDON
Current assignee: SOC D CONST D APP BARDON
Priority date: 1957-04-26
Filing date: 1958-04-18
Publication date: 1959-12-03
Also published as: FR1187681A; GB840907A

Description

Die industriell gebräuchlichen Halbleitervorrichtungen, ζ. Β. Germanium-, Siliziumgleichrichter usw., die gegenwärtig immer mehr in der Elektrotechnik verwendet werden, erfordern die Schaffung von speziell auf sie abgestimmten Hilfsapparaturen.The semiconductor devices in use in industry, ζ. Β. Germanium, silicon rectifiers, etc., which are currently used more and more in electrical engineering require the creation of auxiliary equipment specially designed for you.

Insbesondere müssen die Vorrichtungen zum Schutz der Halbleiter gegen zufällige Überlastung sehr schnell ansprechen. Die thermische Trägheit solcher Halbleiter, die die Möglichkeit zur Ableitung der in ihnen frei werdenden Wärme bestimmt, ist viel kleiner als bei Selen-, Kupferoxydul- oder ähnlichen Gleichrichtern. Außerdem tritt bei Überlastung eine besonders schnelle und gefährliche Erhitzung ein, welche sich mit den normalen Unterbrechern nicht vermeiden läßt, weil deren Ansprechzeit zu groß ist.In particular, the devices for protecting semiconductors against accidental overload must be very respond quickly. The thermal inertia of such semiconductors, which allows the in the heat released by them is much smaller than with selenium, copper oxide or similar rectifiers. In addition, there is a special case of overload rapid and dangerous heating, which cannot be avoided with normal breakers leaves because their response time is too long.

Bei den normalen Unterbrechern wird der Kontakt durch mechanisches Auslösen eines Kniegelenkes hergestellt. Die zum Umschalten notwendige äußere Arbeit wird im allgemeinen dazu aufgewandt, eine Feder oder eine ähnliche Vorrichtung zusammenzudrücken. Die zusammengedrückte Feder speichert eine gewisse Energie, die später dazu verwandt wird, die Kontakte zu öffnen. Dies wird durch eine relativ geringe Kraft bewerkstelligt, die auf das Kniegelenk wirkt und die Freisetzung der Federenergie ermöglicht. Diese äußere Steuerkraft wird von dem beweglichen Kern einer Spule geliefert, welche von dem zu regelnden Strom durchflossen wird. Ein entgegengesetzt wirkender Stromkreis erlaubt es, die Schwelle festzulegen, oberhalb deren Wert der zu regelnde Strom das Auslösen des Schalters bewirkt.With normal circuit breakers, contact is made by mechanically releasing a knee joint. The external work necessary for switching is generally expended on a To compress the spring or similar device. The compressed spring saves a certain amount of energy that is later used to open the contacts. This is due to a relative little force brought about, which acts on the knee joint and enables the release of the spring energy. This external control force is supplied by the movable core of a coil, which from the to regulating current is flowing through it. An opposing circuit allows the threshold determine the value above which the current to be regulated causes the switch to trip.

Die gesamte zur Öffnung eines derartigen Schutzschalters notwendige Zeit wird durch die gesamte mechanische Trägheit des Systems, die elektrische Trägheit der Spule und die ihr zugeführte Leistung bestimmt. Es ist zwar möglich, die Ansprechzeit des Unterbrechers zu verkürzen, indem man die der Spule zugeführte Steuerleistung erhöht, doch wurden dieser Möglichkeit bisher dadurch Grenzen gesetzt, daß für ein bestimmtes gegebenes Volumen der Spule, welches durch technologische Überlegungen bestimmt wird, die höchstzulässige Leistung wegen der auftretenden Temperaturerhöhung und dem hohen Spannungsabfall bei einem relativ kleinen Wert liegt; denn es fließt ja dauernd ein Strom mit der Nennstromstärke des zu regelnden Stromes durch die Spule.The total time necessary to open such a circuit breaker is through the entire mechanical inertia of the system, the electrical inertia of the coil and the power supplied to it certainly. While it is possible to shorten the response time of the breaker by reducing that of the coil increased tax output, but this possibility has been limited by the fact that for a certain given volume of the coil, which is determined by technological considerations, the maximum permissible power due to the temperature increase and the high voltage drop is at a relatively small value; because a current with the rated current of the flows continuously regulating current through the coil.

Es ist bereits eine Schutzschaltung bekannt, die einen empfindlichen Schutz gegen Stromstärkeschwaiikungen bietet, die zwischen zwei einen Wechselstrom führenden Leitern auftreten. Diese Schutzschaltung enthält dementsprechend eine mit Wechselstrom gespeiste Entladungsröhre, die in den meisten Fällen für einen einwandfreien Betrieb eine Spannung von etwa 100 V im Bereich der Raumtemperatur erfordert. Zur Schnell auslösender SchutzschalterA protective circuit is already known which provides sensitive protection against current intensity fluctuations offers that occur between two conductors carrying an alternating current. This protection circuit accordingly contains a discharge tube fed with alternating current, which in most cases for Correct operation requires a voltage of around 100 V in the range of room temperature. To the Fast tripping circuit breaker

Anmelder:Applicant:

Societe de ConstruktionsSociete de Constructions

d'Appareils BARDON,
CIiehy, Seine (Frankreich)d'Appareils BARDON,
CIiehy, Seine (France)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13Representative: Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
Frankfurt / M. 1, Parkstrasse 13th

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 26. April 1957Claimed priority:
France from April 26, 1957

Gerard Delloue, Saint Grauen, Seine-et-OiseGerard Delloue, Saint Gray, Seine-et-Oise

(Frankreich),
ist als Erfinder genannt worden(France),
has been named as the inventor

Erhöhung der Spannung auf diesen Wert kann man in einem Wechselstromkreis einen Transformator benutzen, eine Möglichkeit, die sich für Gleichstromkreise nicht bietet.To increase the voltage to this value, a transformer can be used in an alternating current circuit, a possibility that is not available for DC circuits.

Bei der bekannten Anordnung wird die Entladungsrohre oberhalb eines ersten Schwellenwertes, also bei einer in einer Spule induzierten Mindestspannung leitend gemacht, der eine Mindestschwankung der Stromstärke zwischen den beiden einen Wechselstrom führenden Leitern entspricht. Wenn die Mindestspannung überschritten wir,d, wird je nach der Größe der induzierten Spannung die Röhre etwas später oder etwas früher innerhalb einer Periode leitend gemacht. Wenn die Anode nach einem Polwechsel negativ und die Kathode positiv ist, leitet die Röhre nicht, so daß der durch die Röhre fließende Strom ein pulsierender Gleichstrom ist, dessen mittlere Stärke von der über die induzierte Mindestspannung hinausgehende Spannung abhängt.In the known arrangement, the discharge tubes above a first threshold value, i.e. at a minimum voltage induced in a coil made conductive, of a minimum fluctuation in current strength between the two an alternating current leading ladders. If the minimum tension we exceeded, d, will depend on the size of the induced voltage made the tube conductive a little later or a little earlier within a period. If the anode is negative and the cathode is positive after a pole change, the tube does not conduct, so that the current flowing through the tube is a pulsating direct current, the mean strength of which is different from that above the induced minimum voltage depends on the voltage going beyond.

Von dem Augenblick an, wo die Röhre periodisch leitend gemacht wird, wird ein Unterbrecherrelais je nach der mittleren Stromstärke des Röhrenstroms betätigt oder nicht betätigt. Es ist also ein weiterer Schwellenwert für die Betätigung der Schutzschaltung oberhalb des ersten vorhanden, der von der Stromstärkeschwankung zwischen den beiden zu schützenden Leitern erreicht werden muß. Der erste Schwellenwert ist durch die Empfindlichkeit der Zündung derFrom the moment the tube is periodically made conductive, an interrupt relay will ever actuated or not actuated according to the mean amperage of the tube current. So it's another one Threshold for the activation of the protection circuit above the first one, that of the current fluctuation must be reached between the two conductors to be protected. The first threshold is due to the sensitivity of the ignition

909 687/319909 687/319

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Entladungsröhre und der zweite durch die Strom- transistor, der in geeigneter Weise geschaltet ist und empfindlichkeit des Unterbrecherrelais gegeben. mit Extremwerten, d. h. mit einem maximalen oder Ein Ziel der Erfindung ist ein schnell ansprechender einem minimalen Strom arbeitet und der am Ausgang Hochleistungsschalter zur Überwachung der Stärke eines Generators in einem Arbeitsstromkreis liegt,
eines· Gleichstroms, der nur einen einzigen Schwellen- 5 Bei dieser Arbeitsweise ist die mit dem Transistor wert aufweist. zu regelnde Leistung viel höher als die höchstzulässige Ein.weiteres Ziel der Erfindung ist ein schnell..an- Leistung bei dauerndem Betrieb. Die Erklärung für sprechender Schalter oder Unterbrecher, welcher einen diese Tatsache liefert die Fig. 2, welche die Kennwirksamen· : Schutz vor zufälligen Überlastungen, linienschar I_c — F (U_c) eines Transistors darstellt, wonamentlich bei Arbeitsstromkreisen, die Halbleiter- io bei I_c den Kollektorstrom in Ampere und U₁. die vorrichtungen mit geringer thermischer Trägheit ent- Kollektorspannung in Volt bedeuten und der Basishalten, bietet. strom i_b in mA als Parameter auftritt. Die von demDischarge tube and the second through the current transistor, which is switched in a suitable manner and given the sensitivity of the breaker relay. with extreme values, that is to say with a maximum or a minimum current that works quickly and which is located at the output of a high-performance switch for monitoring the strength of a generator in a working circuit,
a · direct current, which has only a single threshold 5 In this mode of operation, the one with the transistor is worth. The power to be controlled is much higher than the maximum permissible. A further aim of the invention is a fast ... The explanation for speaking switches or breakers, which one this fact provides the Fig. 2, which the characteristic effective ·: Protection against accidental overloads, line group I _c - F (U _c ) of a transistor shows, namely with working circuits, the semiconductor io at I _{c is} the collector current in amps and U ₁ . The devices with low thermal inertia ent- mean collector voltage in volts and the base hold, offers. current i _b in mA occurs as a parameter. The one from that

■ Bei: einem schnell auslösenden Hochleistungsschal- Transistor verbrauchte Dauerleistung ist proportional ter zur Überwachung der Stärke eines Gleichstroms, dem Produkt I_c U_c und muß unterhalb eines bestimmbei dem die öffnung seiner beweglichen Kontakte 15 ten Wertes bleiben, oberhalb dessen die Zerstörung durch den beweglichen Anker einer Spule in Gang ge- des Transistors eintritt. Alle Betriebspunkte, die setzt wird, bildet gemäß der Erfindung die Spule den dieser Grenze entsprechen, liegen auf einer Hyperbel α. Arbeitskreis eines Leistungstransistors, der normaler- Der schraffierte Teil der Fig. 2 bezeichnet also einen weise durch eine angelegte Gleichspannung blockiert Bereich, in welchem der Betrieb verboten ist. Die ist, die eine Funktion der Stärke des zu überwachen- 20 Belastungslinien für die normale Wirkungsweise den Gleichstroms ist, und der bei einem Wert der müssen demnach vollständig innerhalb des Gebietes angelegten Gleichspannung entsperrt wird, der einem verlaufen, das zwischen der Hyperbel α und den vorgegebenen, auf die Stärke des Gleichstroms ein- Koordinatenachsen liegt (R₅ zum Beispiel). Wenn stellbaren Schwellenwert entspricht. man durch eine geeignete Vorrichtung sicherstellt. Da die zum Auslösen notwendige Stromstärke nur 25 daß der Basisstrom nur zwei Werte X und Y anzur Zeit der Überlastung in der Spule fließt und die nehmen kann, kann man auch eine Belastungslinie Spule, wie man annimmt, schnell anspricht, bleibt die wählen, die die Hyperbel α in den Punkten α und b in ihr verbrauchte Energie selbst für hohe Strom- schneidet. Da diese beiden Punkte sich auf der Hyperstärken und Stromdichten sehr gering. Auf diese bei befinden, entsprechen sie zulässigen Leistungs-Weise ist es möglich, momentan eine sehr hohe 30 bereichen, obwohl alle anderen Punkte der Geraden R₃ Leistung an die Spule anzulegen und damit im Be- innerhalb des verbotenen Bereiches liegen, und stellen reich des Möglichen die Ansprechzeit des Schalters eine Betriebsleistung dar, die höher ist als die den zu verkürzen. . normalen thermischen Verlusten entsprechende. Die Gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung be- dem Schalter zugeführte Energie ist dem Produkt aus stehen die Vorrichtungen, die dazu bestimmt sind, 35 der Größe I_c U_c und der Zeit proportional, wobei die eine momentane Überleistung an die Steuerspule des Zeit äußerst kurz sein kann. Man kann auf diese Unterbrechers anzulegen, aus mindestens einem Weise maximale Verlustleistungen von der Größen-Leistungstransistor, welcher normalerweise durch Ordnung 10 Watt und darüber regeln. Man wählt die eine Vorspannung gesperrt ist, der eine andere Span- Punkte α und b derart, daß sie in die Nähe der absonung entgegenwirkt, deren Größe von der Stärke des 40 luten Maxima von Kollektorstrom und Kollektorzu steuernden Stromes abhängt, und dessen Belastung spannung kommen,
von der Steuerspule gebildet wird. In Fig. 3 ist der zu schützende Generator G dar-■ Continuous power consumed by a fast-triggering high-performance switching transistor is proportional to the monitoring of the strength of a direct current, the product I _c U _c, and must remain below a certain value, above which the damage caused by the movable contacts Armature of a coil in gear GE enters the transistor. According to the invention, all operating points that are set are formed by the coil that correspond to this limit, lie on a hyperbola α. Working circuit of a power transistor, the normal The hatched part of Fig. 2 thus designates a wise blocked by an applied DC voltage area in which operation is prohibited. That is, which is a function of the strength of the load lines to be monitored for normal operation of the direct current, and which is unblocked at a value of the direct voltage that must therefore be applied completely within the area that runs between the hyperbola α and the predetermined, on the strength of the direct current is one coordinate axis (R ₅ for example). If corresponds to adjustable threshold. is ensured by a suitable device. Since the current strength necessary for triggering is only 25 that the base current flows only two values X and Y at the time of overload in the coil and can take that, one can also quickly respond to a load line coil, as one assumes, the one that remains the one to choose Hyperbola α in points α and b in it consumed energy even for high current cuts. As these two points affect the hyper strengths and current densities very low. In this case, they correspond to the permissible power-way, it is possible to currently range a very high 30, although all other points of the straight line R ₃ apply power to the coil and are thus within the forbidden area, and represent rich des Allow the response time of the switch to represent an operating performance higher than that to be shortened. . normal thermal losses. According to a preferred form of the invention, the energy supplied to the switch is proportional to the product of the devices that are designed to measure I _c U _c and the time, the instantaneous excess power to the control coil of the time being extremely short can be. One can apply to this breaker, in at least one way, maximum power dissipation from the size power transistor, which normally regulate by order 10 watts and above. One chooses the one bias voltage is blocked, the other span points α and b in such a way that it counteracts in the vicinity of the separation, the size of which depends on the strength of the 40 luten maxima of collector current and collector current to be controlled, and whose load voltage comes ,
is formed by the control coil. In Fig. 3, the generator G to be protected is shown

i In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele dar- gestellt. Seine Klemme.nl und 2 sind mit dem Netz gestellt. über die Kontakte C eines Schalters verbunden. Der Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Ansprech- 45 gleichgerichtete Strom / wird an den Klemmen 3 zeit einer besonderen Art von Unterbrechern in Ab- und 4 über einen Widerstand R₁ abgenommen, der hängigkeit von der Steuerleistung, die ihm zugeführt gleichzeitig die Funktion eines für andere Zwecke bewird; :■..■ ..-.■■ . nötigten Meßwiderstandes erfüllen kann. Ein Tran-i The drawings show exemplary embodiments. Its Klemme.nl and 2 are put to the network. connected via the contacts C of a switch. The Fig. 1 is a graphical representation of the response 45 rectified current / is taken at the terminals 3 time a special type of breaker in Ab- and 4 via a resistor R ₁ , the dependence on the control power, which is supplied to it at the same time the function one is used for other purposes; : ■ .. ■ ..-. ■■. required measuring resistor can meet. A tran-

. ,Fig. 2: ist eine Kennlinienschar eines Leistungs- sistor N₁ wird von einer gleichgerichteten und ge-. , Fig. 2: is a family of characteristics of a power transistor N ₁ is controlled by a rectified and

transistors, an, Hand derer die mit Extremwerten 50 filterten Spannung E₂ gespeist. Die Belastung seinestransistor, on, hand of which the voltage E ₂ filtered with extreme values 50 is fed. The burden of his

arbeitende Wirkungsweise eines derartigen Transis- Kollektors wird von "der Steuerspule i?₃ des Schaltersworking mode of operation of such a transistor collector is controlled by "the control coil i? _{3 of} the switch

tprs beschrieben wird; gebildet. Die zwischen der Basis und dem Emittertprs is described; educated. The one between the base and the emitter

. ,Fig. 3 ist. das Schaltbild einer Form der Schalter- des Transistors N₁ liegende Spannung ist die DifFe-. , Fig. 3 is. the circuit diagram of a form of the switch voltage lying on the transistor N _{1 is the DifFe-}

anordnung gemäß der Erfindung; renz zwischen der am Widerstand R₁ auftretendenarrangement according to the invention; rence between that occurring at resistor R ₁

,.Fig. 4 stellt eine Abwandlung eines solchen Schutz- 55 Spannung u und einer von einem Gleichrichter E₁ geschalters, dar. .,· :, ■ ■ . lieferten und mit Hilfe eines Potentiometers R₂ regel-, .Fig. 4 shows a modification of such a protection voltage u and one of a rectifier E ₁ switched., ·:, ■ ■. and with the help of a potentiometer R ₂ regulate

, ,Fig,l zeigt die - Änderung der Ansprechzeit eines baren Spannung ε. Dieser Spannung ε gibt man einen nprmalen ,Unterbrechers in Millisekunden in Ab- solchen Wert, daß sie den Transistor für jeden Wert hängigkeit .yon der an die Steuerspule gelegten von / zwischen Null und.der Nennstromstärke sperrt. Leistung in Watt. Wenn die Spule dauernd von einem 60 Wird der Nennwert überschritten, so wird ein posi-Strom durchflossen wird, der dem zu regelnden tives Signal an den Emitter gelegt und hebt die Sper-Strom .proportional·ist, dann begrenzt die maximale rung des Kollektors auf. Das ruft durch die Betäti-Leistung W_:M, ,die man aus den oben dargelegten gung der Spule R₃ die Auslösung der Feder für die Gründen an die Spule anlegen kann, die Schnelligkeit Trennung der Kontakte des Schalters hervor,
des Ansprechens nach unten bei T_1n. Gemäß der Er- 65 Gewisse bekannte Vorkehrungen müssen getroffen findung, führt man_: der Spule eine momentane Steuer- werden, um eine fortschreitende Erwärmung des leistung W zu und. reduziert damit die Ansprechzeit Transistors N₁ zu vermeiden, die durch eine Rückauf den Wert T.,,. wirkung der Vorspannung durch R₂ oder durch eine ,Die Steuerschaltung gemäß der Erfindung, mit der allmähliche EntSperrung des Transistors hervorman dies.erreicht, verwendet z.B. einen pnp-Leistungs- 70 gerufen werden kann. Der ersten Möglichkeit kann,, Fig, l shows the - change in the response time of a baren voltage ε. This voltage ε is given a single, interrupter in milliseconds in ab- such that it blocks the transistor for each value dependence on the from / between zero and the nominal current strength applied to the control coil. Power in watts. If the coil is continuously exceeded by a 60 If the nominal value is exceeded, a positive current is flowed through, which is applied to the controlled signal at the emitter and which cancels the blocking current . This causes the actuation power W _{: M} , which can be applied to the coil R 3 from the above-mentioned movement of the coil _{R 3,} the triggering of the spring for the reasons, the quick separation of the contacts of the switch,
of the response downwards at T _1n . According to the invention, certain known precautions must be taken if _: the coil is subjected to an instantaneous control in order to provide for progressive heating of the power W and. thus reduces the response time of transistor N ₁ , which is caused by a return to the value T. ,,. effect of the bias through R ₂ or through a, The control circuit according to the invention, with the gradual unlocking of the transistor achieves this, uses, for example, a pnp power 70 can be called. The first option can

man leicht begegnen. Hinsichtlich der zweiten kann man, wenn die Notwendigkeit bei einer bestimmten Anwendung auftritt, eine Schaltung wie die in Fig. 4 gezeigte verwenden, die der in der Elektronik bekannten »Schmitt-Schaltung« entspricht. Eine derartige Schaltung, in der zwei Transistoren N₁ und N₂ verwendet sind, erlaubt es, unabhängig davon, nach welchem Gesetz der Basisstrom anwächst, augenblicklich von dem Punkt ο der Fig. 2 zu dem Punkt b überzugehen. one easy to encounter. With regard to the second, if the need arises in a particular application, one can use a circuit such as that shown in FIG. 4, which corresponds to the "Schmitt circuit" known in electronics. A circuit of this type, in which two transistors N ₁ and N ₂ are used, makes it possible to pass instantaneously from point o in FIG. 2 to point b , regardless of the law according to which the base current increases.

Für einen genügend schwachen Strom in dem Widerstand R₁ ist der Transistor N₂ durch die Vorspannung auf Grund des Widerstandes R₆ normalerweise entsperrt. Das Potential der Klemme 1 von R_A, welches an der Basis des Transistors A^T ₁ Hegt, macht die Basis gegenüber dem Emitter positiv und sperrt diese Stufe.For a sufficiently weak current in the resistor R ₁ , the transistor N ₂ is normally unlocked by the bias voltage due to the resistor R _6. The potential of the terminal 1 of R _A , which is at the base of the transistor A ^T ₁ , makes the base positive with respect to the emitter and blocks this stage.

Ein Anwachsen des Potentials des Punktes 1 sperrt allmählich den Transistor N₂ durch einen Strom in Richtung Basis—-Emitter; das Potential der Klemme 1 von 7?₄ wird kleiner und macht die Basis negativ gegenüber dem Emitter. Damit beginnt in dem Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors N₁ ein Strom zu fließen. Dieser Strom polarisiert die Basis des Transistors N₂ positiv durch den an R₁ auftretenden Spannungsabfall, was die Neigung des Transistors N₂, sich zu sperren, verstärkt. Das ruft eine Vergrößerung des Ausgangsstromes des Transistors N₁ hervor usw. Diese zwangläufige Reaktion erlaubt also keine Stabilisierung bei einem Zwischenwert, und alles verläuft, als wenn die gesamte Verstärkung unendlich wäre.An increase in the potential of the point 1 gradually blocks the transistor N ₂ by a current in the direction of the base-emitter; the potential of terminal 1 of 7? ₄ gets smaller and makes the base negative to the emitter. A current thus begins to flow in the emitter-collector circuit of the transistor N _1. This current polarizes the base of the transistor N ₂ positively due to the voltage drop occurring at R ₁ , which increases the tendency of the transistor N ₂ to block itself. This causes an increase in the output current of the transistor N ₁ , etc. This inevitable reaction therefore does not allow any stabilization at an intermediate value, and everything proceeds as if the entire gain were infinite.

Claims

Patent claims:

1. Quick-release high-performance switch for monitoring the strength of a direct current, in which the opening of its movable contacts is set in motion by the movable armature of a coil, characterized in that the coil (R ₃ ) forms the working circuit of a power transistor (N ₁ ), which is normally blocked by an applied DC voltage, which is a function of the strength of the DC current to be monitored (/), and which is unlocked at a value of the applied DC voltage which corresponds to a predetermined threshold value which can be adjusted to the strength of the DC current.

2. High-performance switch according to claim 1, characterized in that the normally blocked transistor (N ₁ ) is assigned a normally conductive transistor (N.,) with which it forms a bistable device whose switching is effected when the strength of the to regulating direct current (/) exceeds the specified threshold value.

Considered publications:
British Patent No. 446,299;
German patent specification No. 485 725.

1 sheet of drawings