DE1613895A1 - Strombegrenzungsvorrichtung - Google Patents

Description

DR.-ING. D[PU.-INQ. M.SC. DIPU-PHYS, DR. DIPL.-PHYS. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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IEXAS INSIRDMEHSS XKGORPOMIEED, Dallas, Texas 75222, U, S, A.

Strombegrenzungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine StrombegrenzungsvQrriQhtung, mit deren Hilfe der Strom in einer Schaltung ■begrenzbar ist«

Bei der Anordnung eines Schutzes für bestimmte elektrische Belastungen ist es erwünscht, die gesamte Überlastungs- energie zu begrenzen, welche von den zu schützenden Lasten aufzunehmen ist₀ Bestimmte Vorrichtungen, v?ie beispielsweise

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Transistoren? versagen in höherem Maße durch die während eines Zeitraums aufgenommene, übermässige Energie als auf kurzzeitige Überlastungsströme. Bei einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes in einer Transistorschaltung ist der übliche elektromechanisohe Unterbrecher in typischer Weise zu langsam, um die Halbleitervorrichtungen in dieser Schaltung zu schützen, die daher auch • dann zerstört werden, wenn schliesslich der Stromkreis am Ende doch noch unterbrochen wird*

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Strombegrenzungsvorrichtung zu schaffen, die sehr schnell anspricht. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass eine aus Halbleitermaterial bestehende, mit Stromanschlüssen versehene Masse vorgesehen ist₉ die eine erheblich von der linearen abweichende Widerstandscharakteristik mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten und einer Übergangstemperatur aufweist, oberhalb der der Widerstand relativ rasch ansteigt j derart, dass diese Masse bei Strömen unter einem vorbestimmten Wert bei einem relativ niedrigen Widerstand eine Gleichgewiohtstemperatur hat und Ströme über diesem Wert regenerative Wärme- und Widerstandsänderungen in dieser Halbleitermasse zur Strombegrenzung erzeugen* Diese Vor-

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richtung spricht also im wesentlichen auf das Zeitintegral des tJberlastungsstromes zur Begrenzung des durch die Last hindurchfliessenden Stromes an<, Datei nimmt diese erfindungsgemässe Vorrichtung unter normalen lastbedingungen sehr wenig Leistung auf· Ferner kehrt diese Vorrichtung nach dem Überlastungsschutzvorgang wieder in ihren normalen Zustand zurück und ist in ihrem Arbeiten sehr zuverlässige Ausserdem ist diese Vorrichtung in ihrem Bau relativ einfach und "billige

Die erfindungsgemässe Strömtegrenzungsvorrichtung arbeitet üblicherweise in einer Schaltung, die eine Stromquelle und eine elektrische Belastung, beispielsweise eine Transistorbelastung» aufweist. Die Vorrichtung hat eine Maese eines Halbleiters oder eines anderen Materials, das eine im wesentlichen nichtlineare Widerstandscharakteristifc hat. Diese Materialien werden im folgenden als Halbleitermaterialien bezeichnet, haben einen verhältnlsmässig konstanten Widerstand unterhalb einer Übergangstemperatur und oberhalb derselben einen verhältnismässig hohen positiven Temperaturwiderstandskoeffizientenc Ferner sind Mittel vorgesehen, um die Halbleiterraaase in Reihe mit der Last an die Stromquelle anzuschliesaerii.

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Bei Stromwerten unter einem vorbestimmten Wert erreicht die Halbleitermasse bei einem verhältnismässig niedrigen Temperaturwert und daher entsprechend geringem Widerstand einen Gleichgewichtszustand, jedoch erzeugen Ströme oberhalb dieses Wertes regenerative Heiz- und Widerstandsänderungen in der Halbleitermasse, die in wirksamer Weise den Strom in der Schaltung begrenzen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung, enthalte In der Zeichnung zeigens

Fig_el eine schematische Schaltung, mit einer Last und einer erfindungsgemässen Strombegrenzungsvorrichtung,

Fig_o2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Widerstands-Temperaturcharakteristik eines Halbleitermaterials, wie es in der erfindungsgemässen Vorrichtung nacn'i'igol verwendet wird,

Pig.3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verhaltens des Stromes in der Schaltung gemäss Fig.l als Funktion der Zeit unter K.urzschlü_0Sfo_eai_ng_Ung_en

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Eig.4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verhaltens der Spannung am Stromunterbrecher und am Halbleitermaterial der erfindungSüemässexi Vorrichtung nach fig.l unter Kurzschlussbedingungene

In Pig.l ist mit E1 eine last bezeichnet, die beispielsweise aus einer Iransistorsehaltung einsohliesslich eines oder mehreren Transistoren bestehen kann, die einen Schutz erfordern, oder es können auch andere Widerstandskomponenten sein, die ähnliche, einen Schutz erfordernde Merkmale haben» Die elektrische Leistung zur Versorgung der Last wird von einer geeigneten Stromquelle über ein Paar von Anschlussleitungen L1 und L2 zugeführt. In Reihe mit der Last E1 ist an die Stromquelle ein als Ganzes mit 11 bezeichneter Stromunterbrecher angeschlossen und ferner ein nicht lineares Widerstandselement, das als Ganzes mit 13 bezeichnet ist. Der Stromunterbrecher 11 weist einen Schalter K1 mit einem Paar von in Beihe angeschlossenen Kontakten K2 und einer elektromagnetischen Betätigungswicklung W1 auf, die bei Erregung durch einen Strom oberhalb einer vorbestimmten Höhe die Kontakte K2 mit Hilfe einer Üblichen, nicht dargestellten, öffnungsvorrichtung öffnet_ö

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Das Widerstandselement 13 weist ein Paar von flachen Metallelektroden 15 und 17 auf, zwischen denen ein Halbleitermaterial 19 in SOrm einer dünnen Schicht oder e.'nes Blättchens angeordnet ist, so dass nun eine Strombehn von niedrigem Widerstand hergestellt ist. Das Halbleitermaterial 19 besitzt eine Temperaturwiderstandsoharakteristik, die, wie in Fig.2 dargestellt, einen positiven Widerstandtemperaturkoeffizienten hat, d.h* der Wideretand steigt mit erhöhter Temperatur an. Das Material hat ferner eine Übergangstemperatur T, oberhalb der der Widerstand relativ rasch ansteigt«. Die Widerstandscharakteristik weicht damit erheblich von der linaren ab. Verschiedene der üblicherweise in PSG-Thermistoren verwendeten Materialien können im Widerstandselement 13 ebenfalls benützt werden. Beispiele für solche Materialien, die die oben erwünschten Merkmale aufweisen sind (1) Bariumtitanat dotiert mit einer seltenen Erde, beispielsweise lanthan, und (2) mit Kohlenstoff gefülltes Kunststoffmaterial, wie beispieleweise vernetztes Polyäthylen»

Bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen hat das Halbleitermaterial 19 einen verhältnismässig niedrigen Widerstand. Ee ist erwünscht, dass das Material in einer dünnen

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Schicht angeordnet ist, die einen beträchtlichen Teil der Fläche zwischen den Elektroden 15 und 17 abdeckt*, Eine solche Anordnung ergibt eine hohe Wärmeabgabe und ferner einen niedrigen Widerstand infolge einer Kurzschluss strombahn von erheblichem Querschnitt. Die Schicht kann bei niedriger Temperatur einen erheblichen Strom aufnehmen, ohne dass eine beträchtliche Leistung abgegeben werden muss. Ihre Temperatur steigt daher nicht wesentlich über die Aussentemperatur an, so-lang die Höhe deB Stromes nicht über einen bestimmten kritischen oder Übergangswert ansteigt <,

Wenn jedoch der Laststrom bis oberhalb dieses Übergangswerts ansteigt, so ergibt die Erwärmung des Halbleitermaterials 19 einen Temperaturanstieg oberhalb der Übergangstemperatur T₉ eo dass nun eine beträchtliche Erhöhung des Widerstandes des Halbleitermaterials auftritt. Da nur ein kleiner Teil der Netzspannung am Widerstandselement 13 vor dem Überlastungsschutzvorgang liegt, ist . das Halbleitermaterial 19 im wesentlichen mit einem einen . konstanten Strom aufweisenden Stromquelle verbunden, d^h* die am Halbleitermaterial 19 anliegende Spannung erhöht sich auf den Wert, der notwendig ist,, um den vorhandenen* Laßtstrom aufrechtzuerhalten. Wenn daher die Temperatur

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und der Widerstand des Halbleitermaterials anzusteigen beginnt, so steigt auch die innerhalb des Materials erzeugte Wärmemenge entsprechend infolge des erhöhten Verbrauches an elektrischer leistung (I R) an„ Die erhöhte Wärmeerzeugung ergibt einen weiteren Temperaturanstieg und damit einen regnerativen Zustand, bei dem die Temperatur und der Widerstand des Halbleitermaterials eehr rauch über den Übergangswert ansteigt. Wenn sich der Widerstand des Halbleitermaterials 19 der Grössenordnung der last E1 zu nähern beginnt ₉ so wirkt die Schaltung nicht länger als eine Stromquelle konstanten Stroms in Bezug auf das Widerstandselement 13, sondern es wird vielmehr der Strom in der Schaltung reduziert und durch den sich erhöhenden Widerstand des Halbleitermaterials begrenzt«

Das Verhalten der Schaltung gemäss Fig.l bei Kurzschlussbedingungen ist in den Pig.3 und 4 dargestellt, in denen der Strom und die Spannung am Widerstandselement und am Stromunterbrecher 11 als Punktion der Zeit dar-, gestellt sind. In fig.3 tritt das durch A bezeichnete Intervall auf, bevor ein Kurzschluss eintritt. Der Strom ist hier auf einer normalen Höhe« Wenn die Last E1 kurzgeschlossen oder sehr stark überlastet wird, so steigt der Strom während des mit B bezeichneten Intervalles scharf

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an, wobei der theoretische Stromanstieg ohne die Anwesen-» heit des Widerstandselementea 13 durch die gestrichelte linie S in Pig ,3 angedeutet ist* Wenn nun der Strom ansteigt, so hat das Halbleitermaterial 19 in sich selbst eine Wärmemenge erzeugt» die im wesentlichen eine funktion des Zeitintegrals des durch den Ijastkreia hindurohfliessenden Stromes ist. Die Temperatur des Widerstandselementes 13 steigt daher sehr rasch am Die entsprechende E_rhöhung des Widerstands begrenzt den Maximalwert des Stromes und hält ihn auf einer Hohe., die weit unter der Höhe liegt, die erreicht würde, wenn das Widerstandselement 13 nicht vorhanden wäre* Dieser strombegrenzende Torgang tritt sehr rasch ein und wird grösstenteils durch die spezifische Wärme und Masse des Halbleitermaterials 19 bestimmt. Während des Intervalls B wird sehr wenig Wärme aus dem Material infolge der Schnelligkeit abgegeben, mit der diese regenerative Erwärmung eintritt. Während des bei C + D angedeuteten Intervalls verursacht di$ Wärmeableitung aus dem Material eine gewisse Abnahme des Widerstandes und eine entsprechende kleine Erhöhung äpe Stromes» Dieser Zustand dauert an, bis dann der Stromunterbrecher 11 ausreichend Zeit hat, um die Kontakte «la zu Öffnen, so dass nun der Strom in der Schaltung (ganz unterbrochen wird, wie dies am Ende des ·...-. ι -10-

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Intervalls D angedeutet ist.

Das Verhalten dee Stromunterbrechers Il und dea Widerstandeelemente 13 während der bei den gleichen Intervallen auftretenden Spannung ist in Pig·4 dargestellt _o Während des Intervalls.A ist die an 11 und 3.3 vorhandene Spannung sehr niedrig, so dass wenig leistung verbraucht wird. Während dieses Intervenes liegt der grösste Seil der Netzspannung an dem Lastwiderstand Hl. Wenn ein Kurzschluss eintritt, so steigt die an der Schutzvorrichtung liegende Spannung während des Intervalls 3 hauptsächlich infolge des erhöhten Stromes durch das Widerstandselement 13 an. Während des Intervalls C steigt diese Spannung im wesentlichen infolge des erhöhten Widerstandes des Halbleitermaterials an, die eine Spannungserhöhung ergibt, auch wenn die Stromerhöhung durch die Erhöhung des Widerstandes des Widerstandselements 13 zu einem Halt gekommen ist. Während des Intervalls D fällt die Spannung etwas ab, wenn nun Wärme vom Halbleitermaterial abgegeben wird. Am Ende des Intervalls D öffnet der Unterbrecher Ii und die ganze Netzspannung erscheint an den Kontakten' K2₀

Aus den obigen Ausführungen ergibt sich, dass der maximale₉ bei einem Kurzschluss auftretende Strom erheblich reduziert

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wird/ und was noch wichtiger ist* das Zeitintegral des Strokes während der Zeit, bevor der Unterbrecher öffnen kann, ist wesentlich verringert«, Wenn das Widerstandselement 15 sich bie unterhalb der Übergangstemperatur abgekühlt hat,so ist die Vorrichtung wieder zum erneuten Betrieb bereit, wenn der Stromunterbrecher 11 wieder geschlossen wird ο Die Vorrichtung kann also ihre Schutz-

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funktion wieder ausüben_f

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, dass der erhöhte Spannungsabfall am Widerstandselement 13 während des Zeitintervalls B verwendet werden könnte, um zum Offnen des Unterbrecherkontaktes Ki eine parallel angeschlossene auf Spannung ansprechende Auslösespule als eine andere Lösung statt der in Reihe verbundenen Stromfühlerspule zu verwenden«.

Während die Verwendung des nicht linearen Widerstandselementes 13 in Kombination mit einem Stromunterbrecher dargestellt wurde, sei noch darauf hingewiesen, dass ein solches Element auch ohne einen Stromunterbrecher dann benutzt werden kann, wenn es lediglich notwendig ist, den Strom zu begrenzen, ohne ihn bei Überlastung vollständig

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abzuschalten«

Die Begrenzung des Stromes während des Öffnens der Kontakte K2 dient ferner dazu«, die Kontakte durch Herabsetzen der Lichtbogenbildung zu schönem

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Claims (6)

-1R13895 A 35 750 h - 13 - 9.5.1967 Patentansprüche

1. Strombegrenzungsvorrichtung, mit deren Hilfe der Strom in einer Wicklung begrenzbar ist, dadurch gekennzeichnet,, daß eine, aus .Halbleitermaterial bestehende, mit Stromanschlüssen (15, 17) versehene Masse (19) vorgesehen ist, die eine erheblich von der linearen abweichende Widerstandscharakteristik mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten und einer Übergangstemperatur aufweist, oberhalb der der Widerstand relativ rasch ansteigt, derart daß diese Masse (19) bei Strömen unter einem vorbestimmten Wert bei einem relativ niedrigen Widerstand eine Gleichgewichtstemperatur hat und Ströme über diesem Wert regenerative Wärme- und Widerstandsänderungen in dieser Halbleitermasse zur Strombegrenzung erzeugen«

2. Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermasse (19) einen großen Stromdurchgangsquerschnitt hat und so unterhalb der Übergangstemperatur ein^rrelativ sehr niedrigen Widerstand hat.

3. Strombegrenzungsvorrichtung nach Anspruchs oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermasse (19) eine dünne Schicht ist, üU*. zwischen ale Ansehlußplatten (15_P 1.7) ausgebildeten Anschlüssen angeordnet ist,

4·· Strombegrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden . Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Bariumtitanat ist, das mit einer seltenen Erde dotiert ist.

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5. Strombegrenzungsvorriehtung nach, einem der Ansprüche 1 - 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Kohlenstoff als füllmaterial aufweisender Kunststoff ist.

6. Strombegrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als Last mindestens einen Transistor enthält.

7* Strombegrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen Stromunterbrecher (Kl) hat, der in Reihe mit den Übrigen Komponenten (13» R1) der Schaltung liegt und der bei Erreichen eines vorbestimmten Stromes den Stromfluß unterbricht.

Θ. Strombegrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermasse (19) die Last (R1) und gegebenenfalls der Stromunterbrecher (21) in Reihe geschaltet sind.

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