DE1202826B - Anordnung zur schnellen kontaktlosen Unterbrechung eines Stromes mittels einer Vierschichtentriode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4WWWt PATENTAMT Int. CL:

H03k

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1202 826

Aktenzeichen: G 37752 VIII a/21 al

Anmeldetag: 14. Mai 1963

Auslegetag: 14. Oktober 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kontaktlosen Schaltkreis, dem die Aufgabe zugrunde liegt, einen Laststrom zu unterbrechen, falls im Lastkreis ein Kurzschluß auftritt oder der Laststrom aus einem anderen Grunde einen zulässigen Höchstwert überschreitet.

Hierzu wird die Last über eine Vierschichtentriode gespeist. Eine Vierschichtentriode kann zwei Zustände einnehmen, einen leitenden und einen sperrenden Zustand. Um die Vierschichtentriode in den leitenden Zustand zu bringen, genügt ein kurzzeitiger Impuls auf die Steuerelektrode. Führt die Vierschichtentriode Strom, dann ist sie gegenüber Spannungen an der Steuerelektrode unempfindlich. Soll der Strom unterbrochen werden, so muß eine Gegenspannung an die Vierschichtentriode gelegt werden, die im Wege der Kommutierung den Strom zu Null macht.

Hierzu dient ein aufgeladener Kondensator, der über eine weitere Vierschichtentriode derart an die erste Vierschichtentriode angeschlossen ist, daß beim Zünden der zweiten Vierschichtentriode der Kondensator sich über die erste Vierschichtentriode entgegen dem dort fließenden Strom entlädt.

Solche Schaltungen sind an sich bekannt aus der Technik der bistabilen Kippstufen. Auch dort wird abwechselnd ein stromführendes Ventil (Röhre, Transistor) durch die Entladung eines Kondensators über das andere Ventil zum Verlöschen gebracht. Anders liegen die Verhältnisse jedoch, wenn ein Laststrom, der über eines der Ventile fließt, bei Überschreiten eines bestimmten Wertes abgeschaltet werden soll. Hier findet kein ständiger Wechsel der Stromführung statt. Vielmehr muß nur im Betriebsstörungsfall durch das andere Ventil innerhalb kürzester Zeit ein hoher Strom aufgebracht werden, der das Hauptventil schließt. Anschließend muß dann auch das Hilfsventil wieder gesperrt werden. Hierbei steht also die Schnelligkeit bei der Kommutierung im Vordergrund. Der Vorgang spielt sich innerhalb weniger Mikrosekunden ab. Werden in einer solchen Schaltung Vierschichtentrioden verwendet, so tritt als besondere Schwierigkeit die Gefahr der Rückzündung hinzu. Wegen der notwendigen Schnelligkeit der Kommutierung einerseits und der hierzu erforderlichen hohen Ströme andererseits treten beim Übergang der Vierschichtentrioden in den nichtleitenden Zustand in den Kreisen gefährliche Überspannungen auf. Da diese Überspannungen die Gefahr einer Rückzündung begründen, ist eine zufriedenstellende Arbeitsweise der Anordnung nur möglich, wenn die Überspannungen durch entsprechende Maßnahmen Anordnung zur schnellen kontaktlosen
Unterbrechung eines Stromes mittels einer
Vierschichtentriode

Anmelder:

General Electric Company, New York, N.Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,

Berlin 33, Hohenzollerndamm 150

Als Erfinder benannt:
Allan Nunns Greenwood,

Thomas Henry Lee, Media, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. Mai 1962 (194 327)

in beherrschbaren Grenzen gehalten werden können. Der Bewältigung dieser Aufgabe dient die vorliegende Erfindung.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren im einzelnen beschrieben werden. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 wird eine Last 2 über eine Vierschichtentriode 1 und einen Widerstand 3 von der zwischen den Klemmen 4 und 5 liegenden Spannung gespeist. Der Widerstand 3 ist im Verhältnis zur Last sehr klein und dient der Erzeugung einer vom Strom abhängigen Spannung. Die Vierschichtentriode 1 ist ein PNPN-Halbleiterelement mit einer Anode la, einer Kathode Ib und einer Steuerelektrode Ic. Die Vierschichtentriode 1 wird durch einen Impuls auf die Steuerelektrode 1 c in den stromleitenden Zustand gebracht. Um den Strom über die Vierschichtentriode 1 zum Verschwinden zu bringen, ist eine weitere Vierschichtentriode 6 vorgesehen. Sie ist grundsätzlich von gleicher Art wie die Vierschichtentriode 1, ihre Abmessungen können jedoch kleiner gehalten werden, da sie nur für kurze Zeitintervalle Strom führen. Um den zur Stromunterbrechung erforderlichen Gegenstrom zu erzeugen, ist ein Kondensator 7 vorgesehen, der über die Vierschichtentriode 6 und den Widerstand 3 zwischen Anode und Kathode der Vierschichtentriode 1 angeschlossen ist. Um einen maximalen Kommutierungsstrom zu erzeugen, ist die Impedanz dieses Kreises möglichst klein zu halten. Es ist daher ein Kondensator zu verwenden, der nur einen kleinen Reihenwiderstand

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enthält (Ölpapierkondensator). Zu seiner Aufladung sators 7 für den Fall, daß keine Induktivitäten im

wird der Kondensator 7 über einen Vorwiderstand 13 Kreise vorhanden sind. Die Kurve 27 zeigt den Spanmittels eines Schalters 10 an eine Spannungsquelle nungsanstieg, der eine Folge der im Kreise gespei-

11, 12 geschaltet. Die dabei zu beachtenden Polari- cherten induktiven Energie ist. Die Kurve 28 zeigt

täten sind in der Figur angegeben. 5 die Summenspannung. Diese am Kondensator 7 auf-

Um die Vierschichtentriode 1 aus dem sperrenden tretende Spannung liegt zwischen Anode und Kathode Zustand in den leitenden Zustand zu schalten, wird der Vierschichtentriode 1. Der geringe Spannungsfall ein zuvor aufgeladener Kondensator 14 mittels eines an der Vierschichtentriode 6 und den sonstigen Kreis-Umschalters 15 über die Steuerelektrode Ic ent- widerständen ist vernachlässigbar klein, laden. Natürlich können beliebig andere Anordnun- io Um eine Wiederzündung bzw. Zerstörung der Viergen zur Erzeugung eines Impulses verwendet werden. schichtentriode und der Last 2 zu verhindern, sind

Um den Strom über die Vierschichtentriode 1 und Mittel vorgesehen, durch die die wiederkehrende die Last 2 zu unterbrechen, sobald dieser Strom aus Spannung 28 (F i g. 4) erheblich verkleinert wird, irgendeinem Grund einen vorgeschriebenen Wert Diese Mittel bestehen aus einer Serienschaltung einer überschreitet, ist eine Schaltung vorgesehen, die im 15 Diode 29, eines Widerstandes 30 und eines Kondenrichtigen Augenblick einen Impuls erzeugt, durch den sators 31, die parallel zum Widerstand 7 geschaltet die Vierschichtentriode 6 vom sperrenden in den ist. Ein weiterer Widerstand 31 α liegt parallel zum leitenden Zustand geschaltet wird. Diese Schaltung Kondensator 31. Der Kondensator 31 ist ein Elektrobesteht aus einer Doppelbasisdiode 18, deren beiden lytkondensator. Bei gleichen Kapazitätswerten hat Basiselektroden 18 b und 18 c über Widerstände 22 20 ein Elektrolytkondensator einen Serienwiderstand, und 23 einen Einschalter 24 an eine Spannungsquelle der etwa lOOmal so groß ist wie der eines Ölpapier-17 angeschlossen sind. Der Emitter 18 α ist über kondensators. Der Zweck dieses Parallelkreises beeinen Kondensator 19 an das positive Ende des steht in der Zerstreuung und Speicherung elektrischer Widerstandes 3 im Laststromkreis angeschlossen. Zur Energie, wodurch die wiederkehrende Spannung an Erzeugung einer einstellbaren Vorspannung an der 25 der Vierschichtentriode 1 herabgesetzt wird. Ein wei-Emitterelektrode 18 α ist ein Spannungsteiler 16 vor- terer Zweck dieses Parallelkreises ist es, auch die gesehen, dessen verstellbarer Abgriff 16 b über einen wiederkehrende Spannung an der Vierschichten-Widerstand 21 und eine parallelliegende Diode 20 an triode 6 herabzusetzen, wenn diese aus dem leitenden die Emitterelektrode 18 α angeschlossen ist. Die Basis- in den sperrenden Zustand zurückfällt. Die Verwendiode 18 c ist über eine Diode 25 an die Steuerelek- 30 dung der Diode 29 erlaubt die Verwendung eines trode 6 a der Vierschichtentriode 6 angeschlossen. Elektrolytkondensators 31. Durch die Diode 29 bleibt Die Doppelbasisdiode 18 bildet zwischen ihren bei- die Wirksamkeit des Parallelkreises auf die vorwärts den Basiselektroden 18 & und 18 c einen sehr hohen gerichtete Überspannung an der Vierschichtentriode 1 Widerstand, solange die Spannung an der Emitter- beschränkt. Unter vorwärts gerichteter Überspannung elektrode im Verhältnis zur Spannung an der Basis- 35 versteht man die, die von der Anode zur Kathode diode 18 b einen bestimmten Wert nicht überschreitet. gerichtet ist. Der Vorteil der Verwendung eines Elek-Bei Überschreiten dieses kritischen Wertes bricht der trolytkondensators besteht darin, daß dieser erheblich hohe Widerstand zwischen den Basiselektroden zu- billiger und kleiner ist als ein Ölpapierkondensator, sammen. Die Vorspannung der Emitterelektrode wird Außerdem ist sein hoher Serienwiderstand im vorlieüber den Schleifer 16 & so eingestellt, daß der kri- 40 genden Fall erwünscht, da er die Funktion des Enertische Wert annähernd erreicht wird. Steigt dann der gie verzehrenden Vorwiderstandes 30 weitgehend Laststrom plötzlich in unzulässiger Weise an, so wird übernimmt.

über den Kondensator 19 ein Spannungsimpuls auf Der Ablauf der Wirkungsweise der Schaltung nach

die Emitterelektrode 18 α gegeben, der zur Über- der Erfindung ist folgender: Es wird davon ausgegan-

schreitung des kritischen Wertes führt. Der hierdurch 45 gen, daß die beiden Vierschichtentrioden 1 und 6 im

über die Doppelbasisdiode ausgelöste Strom erzeugt sperrenden Zustand sind und die Schalter 10,15 und

einen Spannungsabfall im Widerstand 23, der über 24 die in der Figur angegebenen Stellungen einneh-

die Diode 25 zur Zündung der Vierschichtentriode 6 men. Um die Schaltung betriebsbereit zu machen,

führt. Es kann sich dann der Kondensator 7 über die wird zunächst der Kondensator 7 durch Betätigung

beiden Vierschichtentrioden 6 und 1 entladen, wo- 50 des Schalters 10 aufgeladen. Der Schalter 24 wird

durch innerhalb weniger Mikrosekunden der Last- geschlossen. Der Schalter 15 a wird zur Aufladung

strom über die Vierschichtentriode 1 zu Null wird. des Kondensators auf den Kontakt 15 c gelegt.

Als Folge der Sperrung der Vierschichtentriode 1 Zur Durchschaltung der Vierschichtentriode 1 wird können an dieser sehr hohe Spannungen auftreten. der Schalter 15 α auf den Kontakt 15 & gelegt. Wenn Diese Spannungen können zu einer Wiederzündung 55 eine gefährliche Überlastung oder ein sonstiger Fehder Vierschichtentriode führen, so daß der Kurz- ler im Lastkreis auftritt, dann steigt der Strom über schlußstrom weiterfließt und erhebliche Zerstörungen den Hilfswiderstand 3 schnell an. In F i g. 3 ist dieser anrichten kann. Die bei Sperrung der Vierschichten- Stromanstieg durch die Kurve 32 dargestellt. Mit Ertriode 1 auftretenden Überspannungen haben zwei reichen eines vorher festgelegten Wertes des Fehler-Ursachen. Einmal wird durch die Spannungsquelle 60 stromes (Punkt 32 a) ist die Spannung am Widerder Kondensator 7 mit entgegengesetzter Polarität stand 3 so groß, daß der sich über den Kondensator aufgeladen. Zum anderen enthält die Last 2 und der 19 fortpflanzende Spannungsstoß zu einem Zusam-Spannungsquellenkreis selbst Induktivitäten, die den menbruch des Basis-Basiswiderstandes der Doppelzuvor fließenden Strom aufrechtzuerhalten trachten basisdiode 18 führt. Dieser Vorgang führt, wie bereits und auf diese Weise zu einer zusätzlichen Aufladung 65 erläutert wurde, zur Durchschaltung der Vierschichdes Kondensators 7 führen. In F i g. 4 sind die am tentriode 6. Hierdurch wird die Spannung des Kon-Kondensator 7 auftretenden Spannungen dargestellt. densators 7 als Gegenspannung an die Vierschichten-Die Kurve 26 zeigt den Umladevorgang des Konden- triode 1 gelegt. Der Entladungsstrom des Konden-

sators 7 steigt sehr schnell an, wie die Kurve 33 in F i g. 3 erkennen läßt. Entsprechend vermindert sich der Strom über die Vierschichtentriode 1 (Kurve 32 in Fig. 3) Zur Zeit T₀ hat der Strom über die Vierschichtentriode 6 den Wert des Stromes über die Vierschichtentriode 1 erreicht (Punkt 33 α), wodurch die Vierschichtentriode 1 in den sperrenden Zustand übergeht. Von diesem Augenblick an gilt das Ersatzschaltbild nach F i g. 2. In F i g. 2 werden für dieselben Schaltelemente wie in F i g. 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Vierschichtentriode 1 ist gestrichelt dargestellt, da sie sich nicht mehr an der Stromführung beteiligt. Die Induktivität L stellt die Induktivität des gesamten Lastkreises dar. In F i g. 2 ist angenommen, daß die Last selbst infolge eines Fehlens vollkommen kurzgeschlossen ist. Der in diesem Kreis über die Vierschichtentriode 6 fließende Strom führt zu einer Umladung des Kondensators 7. Die Größe des Kondensators 7 bzw. die Spannung, mit der er ursprünglich aufgeladen wurde, ist so zu wählen, daß in dem Augenblick, in dem die Vierschichtentriode 1 in den sperrenden Zustand übergeht, der Kondensator 7 noch nicht vollständig entladen ist. Zur Zeit T₀ ist folglich die Spannung an der Elektrode Ta des Kondensators 7 in bezug auf die Spannungsklemme noch negativ. Die in diesem Zusammenhang noch auf dem Kondensator? vorhandene Ladung muß groß genug sein, damit die auf die Vierschichtentriode von der Kathode zur Anode wirkende Spannung noch für eine ausreichende Zeit vorhanden bleibt. Diese Zeit entspricht der Entionisierungszeit eines Tyratrons. Zur Zeit T₁ (F i g. 4) ändert die Spannung am Kondensator 7 und damit die Spannung an der Vierschichtentriode 1 ihr Vorzeichen. Von diesem Zeitpunkt an wirkt auf die Vierschichtentriode 1 eine vorwärts gerichtete Spannung, deren Größe es abzubauen gilt. Von diesem Zeitpunkt an fließt ein Strom im Sinne einer entgegengesetzten Aufladung auf den Kondensator 7. Der Strom wird aber zu einem erheblichen Teil durch den zum Kondensator 7 liegenden Parallelzweig abgelenkt. In dem Widerstand des Parallelkreises wird ein Teil der Energie vernichtet, während ein weiterer Teil in den Kondensator 31 gespeichert wird. Die am Kondensator 7 auflaufende Spannung erreicht daher nicht mehr den Spitzenwert P', wie ihn Fig. 4 zeigt. Vielmehr zeigt die wiederkehrende Spannung an der Vierschichtentriode 1 den Verlauf der Kurve 34 in Fig. 5. Dieser Verlauf gilt für den Fall, daß der Kondensator 31 etwa den dreifachen Wert des Kondensators 7 hat. In F i g. 5 ist vergleichsweise noch einmal die Kurve 28 aus Fig. 4 dargestellt. Die Kurve 35 gilt für den Fall, daß der Widerstand 30 optimal bemessen ist. Diese optimale Bemessung liegt

etwa bei dem Wert

wobei L die Induktivität

des gesamten Kreises über die Vierschichtentriode 6 ist (Fig. 2).

Der Strom in dem Kreis über die Vierschichtentriode 6 wird zu Null, kurz nachdem die wiederkehrende Spannung an der Vierschichtentriode 1 ihren Höchstwert überschritten hat. Diese Unterbrechung des Stromes führt erneut zum Auftreten von Überspannungen. Aber auch diese an der Vierschichtentriode 6 auftretende Überspannung wird durch den stark dämpfenden Parallelkreis zum Kondensator 7 in ihrer Amplitude erheblich herabgesetzt. Es werden also auch die Anforderungen an die Vierschichtentriode 6 vermindert. Neben seiner energieverteilenden und speichernden Wirkung hat der Kondensator 31 auch die Aufgabe, zu verhindern, daß die Spannungsquelle 4, 5 über die Vierschichtentriode 6 in den niedrigen Dämpfungswiderstand 30 niederohmig kurzgeschlossen ist. Der Strom, der über den Parallelwiderstand 31 α fließen kann, ist kleiner als der zur

ίο Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes der Vierschichtentriode 6 erforderliche Mindeststrom.

An Stelle eines Elektrolytkondensators 31 kann auch ein Ölpapierkondensator verwendet werden. In diesem Fall ist die Diode 29 überflüssig, da ein Ölpapierkondensator in beiden Richtungen mit Spannungen beaufschlagt werden darf. Der Widerstand 30 ist dann in dem Maße größer zu wählen, in dem der Serienwiderstand des Ölpapierkondensators kleiner ist als der des Elektrolytkondensators.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur schnellen kontaktlosen Unterbrechung eines Stromes bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes mittels einer Vierschichtentriode (1), der zur Stromunterbrechung eine Spannung entgegengeschaltet wird, indem ein geladener Kondensator (7) über eine zweite Vierschichtentriode (6) derart auf die erste Vierschichtentriode (1) geschaltet ist, daß der Kondensatorentladungsstrom die Sperrung der ersten Vierschichtentriode erzwingt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung der zweiten Vierschichtentriode (6) durch einen Impuls erfolgt, der von dem Strom über eine Doppelbasisdiode (18) erzeugt wird, deren Emitterelektrode (18 a) neben einer einstellbaren Vorspannung (16 b) über einen Kondensator (19) mit einer laststromproportionalen Spannung beaufschlagt wird, die in an sich bekannter Weise an einem Hilfswiderstand (3) im Laststromkreis abgegriffen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungswiderstand (30) in Reihe mit einem Verteilungskondensator (31), zu dem ein weiterer Widerstand (31a) parallel liegt, parallel zum Löschkondensator (7) geschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilungskondensator (31) unter gleichzeitiger Einfügung einer Diode (29) in den Parallelkreis zum Löschkondensator (7) als Elektrolytkondensator ausgeführt ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Verteilungskondensators (31) etwa dreimal so groß ist wie die des Löschkondensators (7).

5. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkwiderstand der zum Löschkondensator (7) parallelliegenden

Schaltung etwa den Wert l/^ hat, wobei L die Induktivität des gesamten Kreises über die Arbeitsspannungsquelle ist und C die Kapazität des Verteilungskondensators (31).

In Betracht gezogene Druckkschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1008 349,
058 104, 1 065 460.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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