DE1665064B1

DE1665064B1 - Ueberspannungsschutzeinrichtung fuer einen wechselstrom schalter

Info

Publication number: DE1665064B1
Application number: DE19661665064
Authority: DE
Inventors: Shigetsugu Ukita; Toshio Watanabe
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1965-07-30
Filing date: 1966-07-29
Publication date: 1971-03-04
Also published as: GB1113732A; NL6610693A; NL152103B; US3431466A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutz- erzeugt, die mittels des Transformators so weit

einrichtung für einen Wechselstromschalter mit einer herauftransformiert wird, daß die Fünfschichtdiode

parallel zu den Schaltkontakten geschalteten Halb- eine rasch ansteigende Klemmenspannung erhält,

leiteranordnung, deren Verhalten bei positiven und Diese reicht zur Zündung der Fünfschichtdiode aus, negativen Halbwellen des Wechselstroms gleich ist. 5 bevor sich an den Schaltkontakten ein stabiler Licht-

Es ist bekannt, zur Unterdrückung des Öffnungs- bogen ausgebildet hat. Auf diese Weise ist stets eine und Schließfunkens beim Ein- und Ausschalten eines einwandfreie rechtzeitige Zündung der Fünfschicht-Wechselstromkreises den Schaltkontakten eine Halb- diode und damit eine Lichtbogenunterdrückung leiteranordnung parallel zu schalten, die aus zwei möglich.

gegeneinander gepolten Halbleiterdioden besteht. Die io Parallel zu den Schaltkontakten kann noch ein

Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Kondensator zur Unterdrückung von Überspannun-

In jeder Halbwelle liegt mindestens eine Diode gen geschaltet sein, obwohl dies nicht unbedingt not-

nicht in Stromflußrichtung, wird also nach Öffnung wendig ist.

des Schalterkontaktes in Sperrichtung beansprucht, Der Schwingkreis kann je nach dem gewünschten

bis die Sperrspannung überschritten wird und sich 15 Eingangswiderstand als Parallelschwingkreis oder

der Arbeitspunkt in das Gebiet der Grenzspannung Serienschwingkreis ausgebildet werden. Auch kann

verschiebt. Der Eigenwiderstand wird sehr klein und die Last an verschiedenen Stellen des Schwingkreises

überbrückt trägheitslos die sich öffnenden Schalter- angeschlossen sein.

kontakte. Die andere Diode liegt während der be- Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden

trachteten Halbwelle in Stromflußrichtung und hat 20 nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben,

somit keinen Einfluß auf den Stromverlauf. Dadurch Hierin ist

kann unabhängig von der Stromrichtung eine licht- Fig. 1 eine typische Kennlinie einer Fünfschicht-

bogenfreie Abschaltung von induktiven Wechsel- diode,

Stromkreisen erreicht werden. F i g. 2 eine Grundsatzschaltung der erfindungs-

An Stelle der gegeneinandergeschalteten Halb- 25 gemäßen Schalteinrichtung zur Lichtbogenunterleiterdioden kann eine Fünfschichtdiode verwendet drückung und

werden. Derartige symmetrische Fünfschichten- F i g. 3 bis 9 Abwandlungen der Schaltung nach

anordnungen sind bekannt. So ist unter dem Namen F i g. 2.

Symistor ein über Steuerelektroden steuerbares In den Zeichnungen bedeuten SSS eine Fünf-Halbleiter-Bauelement mit fünf Schichten bekannt- 30 schichtdiode, SW einen Schalter, L die Last, C₁ und geworden, das symmetrisches Verhalten zeigt. Läßt C₂ Kondensatoren und T einen Transformator mit man bei diesem Bauelement die Steuerelektroden den Primär- und Sekundärwicklungen L₁ und L₂. weg, so kann man das Element als Fünfschichtdiode Es sei zunächst das Stromspannungsverhalten einer verwenden, die symmetrisches Verhalten zeigt. bekannten Fünfschichtdiode an Hand der F i g. 1

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß derartige 35 kurz erläutert.

Fünfschichtdioden ebenso wie gegeneinandergeschal- Bis zu der durch den Bau der Diode gegebenen tete normale Dioden zur Lichtbogenunterdrückung Schaltspannung V_B0 hat das Halbleiterelement einen nicht in allen Fällen ausreichen. Bei sehr hohen sehr hohen Widerstand. Erreicht die äußere Spannung Stromstärken kann es nämlich vorkommen, daß die den Wert V_B0, so bricht der Widerstand plötzlich zuAnsprechzeit der Fünfschichtdiode größer als die 40 sammen, die Diode wird durchlässig und zeigt nur Zeit ist, welche zur Bildung eines stabilen Licht- noch einen Spannungsabfall von etwa 0,8 bis 1,2VoIt. bogens zwischen den Schaltkontakten mit einer Der Leitungszustand hält so lange an, bis die Halte-Bogenspannung von etwa 10 bis 13 Volt ausreicht. Stromstärke I_n unterschritten ist. Dies geschieht bei Hat nämlich die beim Öffnen der Schaltkontakte ent- einem Wechselstrom gegen Ende der betreffenden stehende Überspannung bereits zu einem · stabilen 45· Stromhalbwelle. In diesem Augenblick wird die Diode Lichtbogen geführt, bevor die Durchbruchsspannung wieder gesperrt und nimmt ihren hohen Widerstand an. der Fünfschichtdiode erreicht ist, so sinkt die Klem- Im Gegensatz zu den normalen Dioden mit nur menspannung der Fünfschichtdiode auf die Licht- einer Sperrschicht und auch zu den Vierschichtdioden bogenspannung von etwa 10 bis 13 Volt ab, so. daß ist die Charakteristik der Fünfschichtdiode symmedie Diode nicht mehr zum Zünden kommen kann. 5° trisch, d. h., in der nächsten Halbwelle des Wechsel-Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteinrich- stromes verläuft der oben geschilderte Vorgang in tung der beschriebenen Art mit Lichtbogenunter- genau der gleichen Weise.

drückung für Wechselstromkreise bereitzustellen, die Schaltet man eine solche Fünfschichtdiode einem

auch bei hohen Stromstärken und verhältnismäßig Schalter in einem Wechselstromkreis parallel, so kann

langsamem Anstieg der Klemmenspannung einwand- 55 nach dem Öffnen des Schalters eine infolge induktiven

frei anspricht. Verhaltens des Wechselstromkreises entstehende Über-

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß spannung nur so lange anwachsen, bis sie die Schalt-

die parallel zu den Schaltkontakten liegende Halb- spannung der Fünfschichtdiode erreicht hat. Alsbald

leiteranordnung aus einer Fünfschichtdiode besteht, beginnt die Diode zu leiten, und zwar unabhängig '

die in Reihe mit der Sekundärwicklung eines Trans- 60 von der Polarität der Halbwelle, in welcher die Ab-

formators liegt, dessen Primärwicklung mit einem schaltung vorgenommen wurde. Ist die Ansprechzeit

Kondensator - einen hochfrequenten Schwingkreis der Diode so kurz, daß bis zu diesem Zeitpunkt kein

bildet, in welchen die Schaltkontakte einbezogen Lichtbogen entstanden ist, so sinkt die Spannung an

sind. den Schaltkontakten nunmehr wegen des geringen

Dieser Schwingkreis wird beim Öffnen der Schalt- 65 Durchlaßwiderstandes der Fünfschichtdiode schlag-

kontakte durch den kurzzeitig in der Primärwicklung artig ab und reicht nicht mehr zur Bildung eines

des Transformators fließenden Schaltstrom an- Lichtbogens aus. Es fließt dann weiterhin nur ein

gestoßen, so daß er eine hochfrequente Spannung Leitungsstrom durch die Diode, bis die Stromstärke

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am Ende der betreffenden Halbwelle unter den Wert If, absinkt. In diesem Augenblick sperrt die Diode, womit der Abschaltvorgang beendet ist.

Wird der Schalter wieder geschlossen, so sind vor allem die Prellerscheinungen zu beachten, durch die kurze Funken erzeugt werden können. Auch diese werden bei genügend geringer Ansprechzeit der zu den Schaltkontakten parallelgeschalteten Diode sofort gelöscht, während nach vollständiger Schließung der Kontakte die Kontaktspannung kleiner als die Haltespannung der Diode ist, so daß die Diode in den gesperrten Zustand zurückkehrt und der Laststrom allein über die Kontakte fließt. So werden auch die durch Prellerscheinungen verursachten Kontaktschäden vermieden.

Insbesondere bei sehr hohen Stromstärken kann es jedoch, wie gesagt, vorkommen, daß die Anstiegsgeschwindigkeit der im Wechselstromkreis auftretenden Überspannung nicht ausreicht, um die zu den Schaltkontakten parallelgeschaltete Diode sicher in den leitenden Zustand zu kippen. Hier schafft die Erfindung Abhilfe.

In der Grundsatzschaltung der F i g. 2 fließt beim Öffnen des Schalters SW ein Ladestrom über die Primärwicklung L₁ des Transformators T zum Kondensator C₁, wodurch eine hochfrequente Schwingung in dem Schwingkreis C₁-L₁-SfF erzeugt wird. Diese Schwingung wird von der Primärwicklung L₁ auf die Sekundärwicklung L₂ übertragen, so daß eine kräftige hochfrequente Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung L₀ auftritt. Durch diese hochfrequente Schwingspannung wird die Diode SSS geöffnet, wodurch der Lichtbogen zwischen den Kontakten SW kurzgeschlossen und unterdrückt wird. Wenn später die Stromstärke in der Diode den Haltestrom unterschreitet, ist die Unterbrechung des Stromkreises vollendet. Zum Schutz der Diode SSS gegen Überspannungen dient weiterhin ein Kondensator C₀. Da ein erheblicher Teil solcher Überspannungen bereits vom Kondensator C₁ absorbiert wird, kann der Kondensator C₂ gegebenenfalls auch weggelassen werden. Diese Schaltungsabänderung ist in F i g. 2 gezeigt.

F i g. 3 zeigt eine Schaltung für den Fall, daß die Impedanz der elektrischen Spannungsquelle klein gegen diejenige des hochfrequenten Schwingkreises ist. Wird der Schalter SW geöffnet, so wird der hochfrequente Schwingkreis C₁-L₁-SW angestoßen, der in diesem Falle einen Serienschwingkreis darstellt. Der Hochfrequenzstrom wird auf die Sekundärwicklung L₂ übertragen, an deren Klemmen sich eine kräftige Schwingspannung entwickelt, durch welche die Diode geöffnet wird. Im übrigen entspricht die Arbeitsweise derjenigen der Schaltung nach F i g. 2.

Die Schaltung nach F i g. 4 unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 3 wieder durch die Weglassung des Kondensators C₂ für die Unterdrückung der Überspannungen.

F i g. 5 zeigt eine Schaltung, bei der die Primärwicklung L₁ nicht wie in F i g. 2 und 4 im Lastkreis liegt. Die hochfrequente Schwingspannung wird hier nicht durch die Last L gedämpft.

F i g. 6 unterscheidet sich von F i g. 5 wieder durch die Weglassung des Überspannungskondensators C₂.

F i g. 7 beruht auf dem gleichen Prinzip wie F i g. 5, jedoch ist der Parallelschwingkreis ähnlich wie in F i g. 3 durch einen Serienschwingkreis ersetzt. Dies empfiehlt sich bei geringem Klemmenwiderstand der Spannungsquelle.

F i g. 8 unterscheidet sich von F i g. 7 wieder nur durch Weglassung des Kondensators C.,.

Claims

Patentansprüche:

1. Überspannungsschutzeinrichtung für einen Wechselstromschalter mit einer parallel zu den Schaltkontakten geschalteten Halbleiteranordnung, deren Verhalten bei positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung aus einer Fünfschichtdiode (SSS) besteht, die in Reihe mit der Sekundärwicklung (L₀) eines Transformators (T) liegt, dessen Primärwicklung (L₁) mit einem Kondensator (C₁) einen hochfrequenten Schwingkreis bildet, in welchen die Schaltkontakte (SW) einbezogen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Schaltkontakten (SW) ein Kondensator (C₂) geschaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klemme der Last (L) zwischen Induktivität (L₁) und Kapazität (C₁) des Schwingkreises angeschlossen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klemme der Last (L) zwischen Primärwicklung (L₁) und Sekundärwicklung (L₂) des Transformators (T) angeschlossen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen