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Thermisches Abbild Die Erfindung betrifft ein thermisches Abbild,
welche die thermischen Verhältnisse elektrischer Geräte mit mehreren denselben Strom
führenden Teilen nachbildet. Insbesondere betrifft sie die thermische Nachbildung
von Halbleitergleichrichtern, welche in Metallplatten eingebettet sind und bei denen
sich weitere metallische Teile zur Zuführung des Stromes und zur Kühlung der ganzen
Anordnung befinden.
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Solche Einrichtungen lassen sich nicht mit einfachen Modellen, wie
sie bisher bekanntgeworden sind, nachbilden. Bisher hat man thermische Abbilder
durch maßstabgetreue Umwandlungen der thermischen Eigenschaften ausgeführt. Man
hat den durchfließenden Strom in einem bestimmten Verhältnis verkleinert und dementsprechend
auch die Wärmeaufnahmefähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des zu schützenden Gegenstandes
in ein solches Verhältnis zu den entsprechenden thernüschen Eigenschaften des Modells
gebracht, daß die Zeiten, nach denen eine bestimmte Temperatur erreicht wird, in
beiden Fällen gleich sind. Man hat also thermische Eigenschaften des Gegenstandes
durch thermische Eigenschaften des Modells nachgebildet und nur die Werte maßstabmäßig
geändert.
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Es ist auch bekanntgeworden, Relais zu verwenden, derer. Kennlinien,
also deren funktionelle Abhängigkeit der Auslösezeit vom zugeführten Strom etwa
den thermischen Größen des Schutzgegenstandes entsprechen. Man hat Zeitverzögerungsglieder
an diesen Relais vorgesehen, welche mechanisch, thermisch oder magnetisch wirken
und so konstruiert sind; daß sie den thermischen Vorgang am Schutzgegenstand analog
nachahmen. Insbesondere hat man in neuer Zeit auch die Aufladung von Kondensatoren
hierzu ; ausgenutzt, wobei die am Kondensator entstehende Spannung nach Durchgang
des Stromes der am Schutzgegenstand entstehenden Temperatur analog ist. Die Zeitkonstante
des elektrischen Kreises entspricht der Zeitkonstanten für die Erwärmung des , Schützlings.
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Bei allen diesen Geräten hat man ein einziges Verzögerungsglied verwendet
und versucht, deren Kennlinie etwa den Wärmekennlinien des Schützlings anzupassen.
Diese Methode ist bei einfachen Geräten, bei denen im wesentlichen nur ein einziges
wärmespeicherndes Glied und eine einzige Wärmequelle vorhanden ist, ausreichend.
Je mehr Wärmequellen aber vorhanden sind und je mehr Teile verschiedener Wärmekapazität
verwendet werden müssen, um so ungenügender ist es möglich, die thermischen Eigenschaften
mit Hilfe einer einzigen Kennlinie darzustellen. Besonders bei Halbleitergleichrichtern,
welche schon bei geringen Überschreitungen der zulässigen Temperatur gefährliche
Schäden erleiden können und welche verhältnismäßig klein sind, aber mit Vorrichtungen
großer Wärmeaufnahmefähigkeit versehen werden müssen, ist die Anwendung der bekannten
Einrichtungen völlig unzureichend. Insbesondere geht dies darum nicht, weil die
Halbleiter selbst nach einer anderen Funktion ihre Temperatur erhöhen als die sie
umgebenden Teile. Eine gegebenenfalls vorhandene Kühleinrichtung stellt eine weitere
Wärmequelle dar. Außerdem muß auch der Einfluß der Umgebungstemperatur berücksichtigt
werden. Lediglich die maßstabgetreue Modellnachbildung der thermischen Eigenschaften
könnte hierbei einen besseren Schutz darstellen, da mit ihr ja die einzelnenElemente
nachgebildet werden können. Aber bei diesen ist es schwierig, den richtigen Maßstab
zu finden, da im Schützling verhältnismäßig hohe Ströme bei kleinen Ausmaßen auftreten.
Bei einer Verkleinerung des Stromes würden dann die Dimensionen im Modell so klein
werden, daß eine konstruktive Ausführung praktisch nicht mehr möglich ist. Dazu
kommt, daß eine Einstellbarkeit zur Anpassung an verschiedene Raumtemperaturen und
Kühlungsverhältnisse und die unvermeidlichen Unterschiede in der Fabrikation nicht
mit einfachen Mitteln durchgeführt werden können.
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Diese Nachteile werden nun für die Erfindung beseitigt und gleichzeitig
eine einfache und billige, veränderbare Einrichtung dadurch ermöglicht, daß
erfindungsgemäß
das Abbild für jeden Teil des elektrischen Gerätes gesondert aus Kondensatoren,
Widerständen und Verstärkern zusammengesetzt ist, wobei die Wärmekapazität des betreffenden
Teiles durch die entsprechende elektrische Kapazität die Übergangswiderstände zwischen
den Teilen durch entsprechende ohmsche Widerstände und die Abhängigkeit der Erwärmungsverhältnisse
bei den einzelnen Teilen vom hindurchgehenden Strom durch Verstärkerschaltungen
bestimmter Kennlinie nachgebildet sind.
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Die vorgeschlagene Anordnung bildet also die Temperaturen der einzelnen
Teile des Schützlings durch Spannungen nach, welche an den verschiedenen Kapazitäten
entstehen. Die Abhängigkeit der Temperatureröhung vom Strom erfolgt in den einzelnen
Teilen nicht nach den gleichen Gesetzen. Bei Teilen, durch welche der Strom nur
hindurchgeleitet wird wie bei den Zuführungen und Befestigungsplatten der Halbleiter,
ist die Abhängigkeit anders als beim Halbleiter selbst. Bei jenen ist allein der
Ohmsche Widerstand maßgebend, welcher die erzeugte Wärmemenge und damit den Temperaturanstieg
veranlaßt. Die Temperatur wächst in diesem Falle quadratisch mit dem Strom an. Die
erzeugte Wärmemenge ist i2 B1 t. Die Erwärmung des Halbleiters in Durchgangsrichtung
des Stromes hängt mit der Stromspannungskennlinie des Schalters zusammen. Wie die
Fig. 1 zeigt, besteht der Spannungsabfall in den Halbleiterelementen in idealisierter
Form aus einem konstanten Teil acs und einem stromproportionalen Teil !R." wobei
R2 der Innenwiderstand des Halbleiters in Durchgangsrichtung ist, u, ist der Spannungsabfall
längs der Sperrschicht, welcher unabhängig von der Stromhöhe ist. Die Verlustleistung
ist dann im Halbleiterelement i - u, -f- i2R2, besteht also aus einem linearen und
einem quadratischen Glied. Dazu kommt beim Halbleiterelement die Wirkung des Sperrstromes.
Dieser ist zwar im Normalbetrieb sehr klein und beeinfiußt praktisch die Temperatur
nicht. Aber vom Überschreiten einer bestimmten Temperatur ab steigt der Sperrstrom
plötzlich rasch an und beschleunigt damit die Temperaturerhöhung durch den Durchgangsstrom.
Auch dieser Vorgang kann bei der vorgeschlagenen Anordnung leicht nachgebildet werden,
indem ein Verstärkerglied benutzt wird, dessen Ausgangsstrom exponentiell von der
Eingangsspannung, also dem Abbild der Temperatur, abhängt. Diesen Strom führt man
dann zusätzlich dem zugehörigen Kondensator zu, so daß damit eine Beschleunigung
der Aufladung entsteht.
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Auch die Umgebungstemperatur läßt sich leicht bei der Anordnung nachbilden,
indem der Nullpunkt der in den Kondensatoren erzeugten Spannungen mit Hilfe einer
elektrischen Nachbildung der Umgebungstemperatur verschoben wird.
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Die Fig. 2 und 3 erläutern ein Beispiel des Erfindungsgedankens. In
Fig.2 ist ein Halbleiterelement mit seinen verschiedenen Teilen dargestellt. Der
Halbleiter selbst ist mit 1 bezeichnet. Auf ihn ist eine Platte 2 aus Metall
aufgelegt, welche zugleich die Stromzuführungslasche 3 besitzt. Der Halbleiter selbst
liegt auf einem weiteren Metallplättchen 4, welches wiederum auf einer Kühlungsplatte
5 mit den Kühlrippen 6 und dem anderen elektrischen Anschluß 7 gelegt ist. Die einzelnen
Teile 1 bis 5 werden nun in dem in der Fig. 3 gezeigten thermischen Abbild nachgebildet.
Im Stromwandler 8 wird der durch den Schützling fließende Strom abgenommen und auf
einen kleinen Wert übersetzt. Der Strom wird dann in- der Gleichrichteranordnung
9 gleichgerichtet und mhreren Verstärkern 11 bis 15 zugeführt. Diese bilden die
Abhängigkeit der Temperaturerhöhung vom Strom für die einzelnen Teile des Schützlings
ab. Der Verstärker 11 gehört zum Halbleiterelement 1, der Verstärker 12 zur Deckplatte
2, der Verstärker 13 zur Stromzuführung 3, der Verstärker 14 zur Platte 4 und der
Verstärker 15 zur Kühlplatte 5. Die Teile 2 bis 5 haben, wie bereits gesagt wurde,
eine quadratische Abhängigkeit der Temperaturerhöhung vom Strom. Die Verstärker
12 bis 15 müssen daher den Strom quadratisch umformen. Wird also der Strom i zugeführt,
so entsteht am Ausgang dieser Verstärker ein Strom i2 bis i., welcher proportional
mit dem Quadrat des Eingangsstromes anwächst. Die Temperaturverhältnisse im Halbleiter
1 selbst werden entsprechend dem Verstärker 11 und dem Verstärker 10 nachgebildet.
Der Verstärker 11 entspricht der linearen Abhängigkeit der Temperatur vom Strom,
d. h., sein Ausgangsstrom wächst linear mit dem Eingangsstrom i11. Zur Berücksichtigung
auch des quadratischen Gliedes kann der Verstärker 11 aus zwei parallelen
Zweigen bestehen, von denen der eine linear, der andere quadratisch verstärkt und
die am Ausgang entstehenden Ströme überlagert werden. Die in den Verstärkern entstandenen
einzelnen Ströme werden nun über die Kondensator-Widerstands-Glieder 21/31 bis
25/35 geführt. Die Ströme laden die Kondensatoren mit einer der Wärme-Zeit-Konstante
entsprechenden elektrischen Zeitkonstanten auf. Dadurch entstehen an den Kondensatoren
die Spannungen u1 bis u", welche der Temperatur der einzelnen Teile des Schützlings
entsprechen. Diese Spannungen kann man nun einem Relais 20 zuführen, welches so
viel Wicklungen 201, 202, 204
besitzt, wie Spannungen zugeführt werden. Es
brauchen hierbei nicht alle an den Kondensatoren entstehenden Spannungen zugeführt
zu werden, sondern es genügt, nur diejenigen Spannungen an das Relais zu leiten,
deren entsprechende Temperaturen überwacht werden müssen. Die Abbildung der übrigen
Teile ist trotzdem wichtig, weil sie ja auch die Temperaturen der empfindlichen
Teile beim Schützling und die Spannungen beim Abbild beeinflussen. Durch die Kupplung
der einzelnen Glieder über die Widerstände 31 bis 35 ist diese Beeinflussung auch
im Modell berücksichtigt.
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Statt der Wicklungen im Relais 20 können natürlich auch elektronische
Schaltungen verwendet werden. Zur gegenseitigen Trennung der Stromkreise sind die
Gleichrichter 21 erforderlich.
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Es muß noch die Wirkungsweise des Verstärkers 10 beschrieben werden.
Dieser soll die Wirkung eines gegebenenfalls auftretenden Stromes in Sperrichtung
der Halbleiter berücksichtigen. Dieser Strom entsteht erst von einer bestimmten
Temperatur an und erhöht dann ebenfalls die Temperatur des Halbleiters. Um dies
nachbilden zu können, wird dem Verstärker 10 die Spannung u1 zugeführt, welche also
der Temperatur im Halbleiter entspricht. Aus dem Verstärker wird ein Strom iN genommen,
der dem Strom il zugesetzt werden muß. Sobald also ein Strom ilo in vergleichbarer
Größe mit dem Strom il entsteht, wird dadurch die Aufladung des Kondensators 21
beschleunigt. Damit der Verstärker erst von einer bestimmten
Spannung
an arbeitet, besitzt er eine exponentielle Kennlinie.
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Ferner muß noch die Umgebungstemperatur bzw. die Temperatur des Kühlmittels
berücksichtigt werden. Dies wird dadurch gemacht, daß der Nullpunkt der an den Kondensatoren
entstehenden Spannungen u1 bis u. durch eine weitere Verstärkereinrichtung 16 verschoben
werden kann. Diese arbeitet proportional einer Spannung, welche beispielweise durch
ein Thermoglied 30 erzeugt wird. Dieses Thermoglied kann im Kühlmittel des Halbleiters
untergebracht sein. Der Verstärker ist ein Spannungsverstärker. An seinem Ausgang
entsteht eine der Temperatur proportionale Spannung. Ist also die Temperatur des
Kühlmittels hoch, so wird auf diese Weise die Spannung an den Kondensatoren durch
die Spannung am Ausgang des Verstärkers 16 erhöht, so daß das Relais schon bei kleineren
Werten der Spannung u1 bis u5 anspricht, als wenn die Kühltemperatur niedriger wäre.
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Das Relais 20 kann beispielsweise einen Kontakt besitzen, welcher
einen Leistungsschalter 17 ausschaltet. Man kann aber auch eine Meldeeinrichtung
damit betätigen.
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Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine sehr genaue Abbildung der
Temperaturverhältnisse in elektrischen Geräten, einschließlich der das Gerät umgebenden
Konstruktionsteile. Es können die verschiedenen Temperaturen der einzelnen Teile
und ihre gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt werden. Die Anordnung kann also
auch beim Auftreten zu hoher Temperaturen an jedem beliebigen Konstruktionsteil
arbeiten. Hierdurch erhält man den großen wirtschaftlichen Vorteil, elektrische
Geräte bis an die Grenze der Zulässigkeit ausnutzen zu können. Durch ; leichte Veränderungsmöglichkeit
an den Widerständen, Verstärkern und Kondensatoren sowie der Ansprechwerte des Relais
ist eine weitgehende Anpassung an verschiedene Umgebungsverhältnisse gegeben.
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Es ist natürlich möglich, die Anordnung zu vereinfachen, wenn die
Bedingungen für die Temperaturüberwachung nicht so scharf, sind. Es würde dann genügen,
höchstens drei Teile der Konstruktion eines elektrischen Gerätes nachzubilden und
nur die , Spannung des empfindlichsten Teiles einem Relais zuzuführen.