DE1763282A1

DE1763282A1 - Druckknopfbetaetigter UEberstromschalter zum Schutze ueberstromempfindlicher elektrischer Bauelemente,z.B.Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE1763282A1
Application number: DE19681763282
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 1968-04-27
Filing date: 1968-04-27
Publication date: 1970-02-19
Also published as: DE1763282B2; SU520061A3

Description

Druckknopfbetät%ter Überstromachalter zum Schutze überstrom-

em findlicher elektrischer Bauelemente z.B. Halbleiter-

bauelemente "

Die Brfndung bezieht sich auf einen drückknopfbetätgten

Überstromschalter zum: Schutze Überstromempfindlicher elektri-

scher Bauelemente, z.B. Halbleiterbauelemente, mit elektro-

magnetischer und /oder thermischer Auslösung, wobei die

Magnetspule'der elektromagnetischen Auslösung bzw, die Reiz-

wicklung des Bimetällstreifeua der thermischen ,Luslösung

In Reihe mit den Schaltkoütakten liegt. Es ist :ein Überstrom--

scbalter dieser Ärt --bekannt (USA -Patentschrift 3 38? 122),

der. mit einer sektrümagnetischen Schnellauslösung versehen

ist, Die Ausschaltzeit dieses bekannten Uberstromschelters

beträgt auch bei höohetev Firregung 4 - 6 %sec. Da beim Auf-

treten eines übeatromeu bis zum Zeitpunkt .der Xontaktöffnupg

bei. diesem btkauluten iberatromsgh,.ter keinr Viderstands,

dqrugatitt,t dwr ßtromanstieg dem zu schützenden

tx#xoo *b4.. yai gesagten ßuheinwiderstauä* Der Schein-

den gu scsxdltacaaeise besehe -im *Ilse

.a z.

ms; . u1 ,en .t.erAunden x den X.deren ,der : 'en

saa't-. 1a *i#4iale0. -: der #cvAie.e 1, dereh

zudt."- gli4ien klein ist» DoA#@reh weicht- des

Überstrom innerhalb einer sehr kurzen Zeit von kleiner als

1 ursec seine volle Höhe, die fast ausschließl:kh durch den

ohmschen Widerstand des Stromkreises bestimmt wird. Da bei dem

bekannte Überstromschalter die Ausschaltzeit etwa 4 - 6 ursec

beträgt, können die mit Halbleiterbauelementen versehenen

Stromkreise durch den bekannten Uberstromschalter gegen Über-

strom nicht geschützt werden. Dies gilt sowohl für Gleich-

als auch für Wechselstrom, da bei Wechselstrom und einer

Ausschaltzeit von etwa. 5 ursec innerhalb einer Viertelperiode

bei 50-periodigem Wechselstrom der volle Scheitelwert des

Überstromes erreicht wird.

Beim Schutz von Halbleiterbauelementen besteht die Forderung,

daß beim Auftreten eines Überstromes die Abschaltung innerhalb

einer Zeit erfolgt, in der der Grenzlastwert 12 ä .t aes Halb-

leiterkristalls nicht überschritten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bekannte,, eine Sal-

vanische Trennung bewirkende Überstromechalter mit einer elek-

tronischen Schaltung so zu kombinieren, daß kurzzeitig an-

steigende Überströme so begrenzt werden,. daß der sblässige

Grenslastwert der zu oohU#$enden Halbleiter bis scuZ galvani-

schen Trennung, des ßtroreisojq durch den 13berstmschalter

nicht überschrittet w. Die IZ5suh& dieses ,&gerfolgt .

ge»äß der Erfindung daduh, daß dag ee lade der in' der

'einen Anschlußletung äe;e.Verbnö_r liegenden- etspule

bzw. Heizwicklung mit dem Emitter und das andere fade mit dem Kollektor eines Leistungstransistors verbunden ist, dessen Basis über einen entsprechenden Widerstand mit der anderen Anachluß-Leitung für den Verbraucher in Verbindung `steht, und daß in Reihe mit der Hagnetspule bzw. der Heizwicklung ein Meßwiderstand liegt, dessen der Magnetspule bzw. der Heizwicklung abgewandtes Ende über eine Diode oder die Kollektor Emitter-Strecke eines zweiten Transistors mit der Basis des Leistungstransistors verbunden istiHierbei muß der TTeßwideratand so bemessen sein, daß der Spannungsabfall an ihm bei Nennstrom kleiner ist als die Durchbruchsspannung der Diode und des Leistungstransistors. Im Dauerbetriebe wird der Transistor über den Basiswiderstand durchgesteuert.

Bei Erhöhung des Verbraucherstromes erhöht sich auch der Spannungsabfall am I1eßwiderstand, so daß sich die Basisspannung des Leistungstransistors im Vergleich zur Emitterspannung gegen plus verschiebt: Daaurch wird der Leistungstransistor geöffnet und der Ausgangsstrom auf den vom Nagnetspulenwiderstand bzw. Heizwicklungswiderstand bestimmten Wert eingestellt.: Es erfolgt nun die Auslösung in der normalen Schaltzeit von 4 - 6 msec, wodurch der Stromkreis galvanisch geöffnet wird. Weist der Überstromschalter eine elektromagnetische und eine thermische Auslösung auf, dann besteht die M6glichket, daß die Heizwicklung des Bimetallstreifens-den Meßvriderstand

bildet und die Magnetspule zwischen Emitter und Kollektor

des Leistungstransistors liegt. Eine weitere Möglichkeit besteht

bei eiäem Überatromachalter mit thermischer Auelbsung darin.,

daB der Bimetallatreifen selbst den Meßwideratand bildet und

seine Heizwicklung zwischen Emitter und Kollektor des Leietungs-

*traneistors liegt. Es ist ferner möglich, zusätzlich zu der

Heizwicklung des Bimetalletreifena eine zweite Reiswicklung

.vorzusehen, die den heBwidöretand bilden kann. Hierbei ist die

erste Heizwicklung mit dem Xollektor und dein Smitter des

Leistungatranaietors verbunden.

Bei d,er Verwendung eines zweiten Tranaistore ist in weiterer

Ausgestaltung der Erfindung seine Basio über einen r*$elbaren

Widerstand mit dem Kollektor de$-heistungatransietots ver`;-

bunden. Durch die Vergrößerung des Spennungsabfalles-fi

Maßwiderstand wird auch die teuerspannuung ,für den )sit n.

Transistor vergrößert und die $aeiAegpa=ung, äse loiatung

tranaistors nach plus verlagert. D$4uroh erfolgt ,eine weitere

Öffnung den Zeinttngntran9Lgtörs, b.IcM dStro# in dd2,Magnet-

spule bzw. in der gsizwckluüg des Biitettl,.lstreiiteriä teiniü

Auelgiiwert erreicht und der =lerstmsehaltet attäi8wt, uti$

denn @!rre3@e galvanisoh tanterbx.et.

Der L. oransistor kann wohl oiri--h_p-

n-p n-firan bor -gein. Bei der Veriittdung eines n-p ri,'@it@-

transistound eines zweteÜ "üistero ist die Bäsi@e@ ali

zweiten :: siatora über dien regelbaren Widerstäftt ,.mit. äst

Zwitter des Leistungstransistorä verbunden.

Um ein unbeabsichtigtes Ausschalten durch Stromspitzen, insbe-

sondere Sindohaltetsomspitzen. zu verhindern, ist parallel zur

Magnotspule ein Kondensator geschaltet, der natürlich in bezug

auf den Widerstand der- Uagnetspule abgestimmt sein mu8. - .

Die elektron-ieche Schalturig ist auf einer Schaltplatine ange-

ordnet die vorzugsweise aus gut wärmeleitendem, Ztall besteht,

das die Wärme von ä'em- ist=gatranniator schnall ableitet, .

Di@aet @chaltatine `:e a@ir den elektrischen Anschluß der

elektronischen odhaltu##t Otgsonta%ten zum Mutecken

in enzbudh n ::ined egmenbrettee versehen,. in das auch

d®r..alrggtbetat3,e. `bt strdsebal#er mit atinm 8eck- F

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der ., t eäR@ e- ,e@ dt@ptoi@,t@ele' .

und deren lusgangsansohlüeoe 3 und 4 mit' einen nicht darge-

stellten Verbraucher verbunden sind: Inder oberen An.schlu8-

leitung 5 liegen in'8sthe Schaltkontakte 6 eines druakknopt-"

betätigten überst.omnohaltere 7 nach der tlßu-iatentaohrif

3 307 122, ' einen Bsßrriderstandeo 8 und einer Magnetspule 9

des Überetronschaltero ?. Die ülnden der Magnetspule g 'sind

mit dem Beitter und mit den Xollektor eiMea heistungstranaie-

tore 10 elektrisch-Verbundeng dessen Basis Fiber einen Widerstand

11 mit der unteren Anwthlußleituag 12 verbunden ist. Das der

ßpetaoulr 9 aber. lkde des )%»iderotaades, 8` steht

.4r sU* Diode 13 mtt - der Bast* den Soistuagetrau*istoro 10

ixt sltrisch@rr @erbiaänagDie' Diode 13 ksauch eine .Zeaer-

diQdt nein, '

Not angenommen äaß als, Varbssuo#rr_ eine thcansiotorwobaltung

wxuet, deren irt 1~ f @"`aooeo liegt. . Deg hieir,_

wr"bdete tiberetxwradhalter "ist üee balt*ri".ihsa0

att! nu@ daß der a 1Cursaahlußotron Jan den sohlüso

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Betriebe wird der Transistor 10 über den Widerstand 11 durch-gesteuert. Er trägt den Teil des Verbraucherstromes, der sich aus der Stromteilung über den Widerstand der IZagnetepule 9 und den Durchgangswiderstand der Emitter-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors 10 im durchgesteuerten Zustand ergibt. Ein solcher Leistungstransistor hat für etwa 8 bis 10 1 Dauerstrom im durchgesteuerten Zustand eine Emitter-Basis-Spannung von etwa 0,25 bis 0,3 Y entsprechend eine® Durchgangswiderstand von etwa 0104 Ohm. Daraus folgt, daß der größte Teil des Dauerstromes vom Leistungstransistor aufgenommen wird, wenn der Widerstand der Magnetspule 9 auf einen strombegrenzenden Wert abgestimmt ist.

Steigt nun der Strom im Verbraucher, dann erhöht sich auch der Spannungsabfall am Meßwideratand 8, wodurch die Basisspannung des Leistungstransistors 10 gegenüber der Emitterspannung gegen plus verschoben wird. Dadurch wird der Leistungstransistor geöffnet, so daß sich der Ausgangsstron auf den vom Widerstand der Magnetspule 9 bestimmten Wert einstellt, Der Überstromachalter 7 spriaht-deshalb an, und der gtromkreis wird galvanioch durch die Bahaltkontakte 6 getrennt. Die Ansprechgeschwindigkeit der gohaltung nach Yig. 1 bis zum lctienblick der Stro®redasierumg ist von der Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes abhängig. Bei langsamem Stromanstieg erfolgt auch eine e-.ntaprechend langsame Öffnung des Leistungstransistors 10. Die strombegrensendeWirkung wird aber auch

bei ;,ehr schnel-_emtzem@.usti@@@g, der kleiner als eine Nikrosec

Ne iii kann, erreicht. Die Schaltung nach Fig. 1 ist hauptsächlich

`ür Verbraucherstromkreis(, mit, steil ansteigenden überströmen

bestimmt.

Lei der üchaltuni; ruck Fig. 2 ist anstelle- der Diode 13 gemäP

FiG. 1 ein fralisisLo@ 1- vorgesehen, dessen Emitter mit dem

ciiie:i Ende des Iieß,@iderstatiües `_# iind dessen Kollektor mit der

:Basis des Leistungstransistors 10 elektrisch verbunden ist.

Die Basis des Tr"ulsistors 14 steht über einen festen Widerstand

13 und einen regelbare-, Widerstand 16 mit dem Kollektor des

Leistungstransistors 10 in Verbindung. Auch hierbei wird im

normalen Betrieb der Leistungstransistor 10 über den Widerstand

11 durchgesteuert. Die L!nitter-Basis-Spannung des Transistors 14

ist deshalb sehr klein, so duß dieser Transistor 14 nicht ange-

steuert wird. Bei ansteigendem Verbraucherstrom wird auch

der Spannungsabfall am heßwiderstand £i größer,so daß auch die

Steuerspannung für cieiTransistor 14- größer wird. infolge der

DurchsteueruLg des i'ranüistars 14 verschiebt sich die Basis-

sr.o.:ixiung des Leistungstransistors 10 gegen plus, so daß dieser

Leistungstransistor 10 weiter geöffnet; wird und die Emitter-

Desis-Spannuiig weiter ansteigt. Durch diesen Spannungsanstieg

erfolgt eine immer weitere Durchsteuerung cies Transistors 1y.

so daG der Leistungstransistor 10 lawinenartig geöffnet wird

Die begrenzung des Verbraucherstromes erfolgt durch: den Wider-

standst.ert der 1agnetspule 9. Sobald der entsprechende Strom

erreicht ist, erfolgt die Auslösung.

Die Schaltun; nach 2!G. 3 untersch3idet s-",ii ;roii der Schal-tun,

nach fig. 2 lediglich dadurch, dai bei der ci@älttz:.g nach F.LU.-.

ein p-n-p-Lestuzigstrznsistor 10 verwericleb ist, :-@:;errend uic

Schaltung nach Fig.? e.Lri.n n-p-n-Zei.S@znlstrans.isi,or 1rj vor-

sieht'.-. Bei den Schaltwigen nach den Fb. 2 und 3 kann der

Ansprechstrom durch den regelbaren ;widerstand 16 in bestimm tc:n

Grenzen eingestellt .,:erden. Die Schaltung nach Fig.1 ist prak-

tisch nur durch die Bemessung der Widerstände 8,11 und der

Diode 13 auf die entsprechenden Ströme abstimnbar:

Anstelle des Überstromschalters nach der USA-1=atentschrift

3 30? 122 kann auch der Überstromschalter nach der USli,-Pawe.rit-

schrif-t 3 26t3 688 veniondet ,;=erden, der eine-thermische Aus-

lösung mit einem mit einer Heizwicklung versehenen Bimetall-

streifen aufweist. Hierbei kann die Heizwicklung des Bimetall-

streifens als Heßwiderstand ß verwendet werden. Erfolgt hierbei

die Einstellung des Ansprechwertes für die Stromverminderung

auf einen ebtsprechend hohen Wert zum Nennstrom, so kann der

Zwischenbereich in einer Überstro®charakterstik geschätzt

werden,: die durch dis Beheitung des Buietallstreifens durch

den Neßwiderstand 8 bestimmt wird. Diese Maßnahme ist besonders

dann vorteilhaft, wenn in einer Schal=tung Einschaltspitzen

oder sich wiederholende Stromspitzen bis zu einer unschädlichen

Höhe auftreten.

Die elekuhe Schaltung- kann auf eine zusätzlichen Schalt-

platine angeordnet worden, die mit entsprechenden Steckan-

schlÜssün zur einfachen

K_ emmenbrt# tt rer..i_ ni sair, is':

diesL ;@:;aaltpl.n=.. zugl;:i@a mit dc:m

..fJ.V@.,ivt.._

..1.#

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bet=itigttjri Üb_.@:@:.°omscüa.lter, d---r ..., t. @@ ,vfaS..:_ _'.n

auf -A-ei J.. , @lur_@11 Ei r.S@een In ..a:. C::. .J`)rt:(jtl`:.'r@'U'.:i..

des Kle::(J@ABÜbrr:tü_:;@ @le:n#;rici: a@@@ü:i@i<lL3tri Liüd mech=anisÜ#,

zu bafestiGen. Es ist nierbei nur @m ri.;mr@enbrc t @.;

die entsprechenden 4u#rverbindungen

aus ,aU rärmvlr;ita.:c-:K@.-_"al_

herzustt:;ilar<, uami@:ur@.. d:.frs:.< gut

die im crzeugta# svhs.ll aby_f_:.rt

wird.

In via, ieri alektrischeri und elektronischen järhaitun::-rt tr#eter:

Stromspitzen auf, die über den @iar:ris@;rom lieger: und c.urcidie:

aber ein=e Abschaltung nicht erfolgen sol-. Es ist bekannt,

daß besonders bei#ri Einschalten eines rerütE;s oft Stromspitzen

erreicht werden, die einem Kurzschlußstrom bei Lguerbetrieb

annähernd gleichkommen. Um ein Ausliis:n der Uberstromschalter

durch Stromspitzen zu vermeiden, ist parallel zur I-,.afnetspule

ein Kondensator geschaltet. Durch enteprechende Abstimmung

des Kondensators zum Widerstand der iiagnetspule w-rden Ein-

schaltspitzen überbrückt. Im Dauerbetrieb i=idt sich der :ion-

densator auf den Spannungsabfall der hiagnetspie auf, so daß

dann bei Überströmen die Differenz der Ladespannung kleiner

ist und damit eine sofortige Abschaltung oder nur eine kurz-

zeitige Verzögerung erfolgt.

Claims

Pat:entanspräcl:e

-1. Lruc£-i:z:opf betätiSt:er Über stronaschalüer zum äwüut@ze über- ;.@t;römempiindi.lc@r eleäfricl@er .äuwl:@@ei=, .j3. Halbleiter- bauelemente, aait eletrom@;gi.@.lscl=er und iccter ther --;.scher der

t3g.@..'_ _ i %En oia #vcrb.znden ist,

Lc-Josen .dL-ss-'_s Über c.c2° anderer, An.chluß"setang (1.21) für diln Verbraäüher in VerbindunG steht, unca y in Reihe c _ der iäa-:r:@:tsale (bzs°I. der City (8) 1i'4 , di@: c3% der i,iagtlc üsul e U) bz-a. derieiüriciauig abgewandtes Ende über eine Diode ('15) oder die Kolleaktor Emitter-Streche eines zweiten 3'ransistors (r111-) mit der Basis des Leistungs- transistors '(I0,1-) verbunden ist. 2. Überstromschal.ter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall am Meßwiderstand () bei Nennstrom kleiner ist als die Durchbruchsspannung der Diode (13) und des Leistungstransistors (10):

:r beiden der vorheh@;'ellencc'n .z: "'.c1:e ms. -f: r 1, 1' :g- ui:ä @;@irrmiscllor kusl.@'.;r@1:f, r ,!1@1'L1.UT:(; (1G,3 @:I'_-@@@r1:ä (iiC 1il(iT1et@E@@l(@ r

Ü1@@z',t:rornsehal ;;(r il@:ch (:rienr oder beiden der knsprüche 1 unci rait; -@-1-.ermi.s@:hc:i@ Äuslösung, dadurch Gekennzeichnet, daß cte:rimetclls;;rei.fen c;,:i, liet@:;idcrst;axld bildet und seine Ileiz- z"rischen Errrit;tcr und Kollektor des Leistung: traxisis- (10) li."giti-. Überstrom schaltca' . ach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2 mit thermischer huslösung, dadur^.li gekennzeichnet, cze1rs zusätzlich zu der Heizwicklung des 13imetallstreifens eine z-auite Heizwicklung vorgesehen ist= und diese zweite Heiz- wicklung den 1'ieß@,ridcs,stand (ü) bildet. 6. Überstromschalter nach einem oder mehreren der vorher- gehenden Ansprüche, 'dadurch gekennzeiclniet, daß die Basis des zureiten Transistors (14) über-'einen regelbaren Widerstand (16) mit dem Kollektor des Leistungstransistors (10) bzw. mit dem Emitter des Leistungstransistors (17) verbunden ist. 7. -Überstromschalter nach einem oder mehreren der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungs- transistor (17) ein n-p-n-Transistor ist.

ö. Überstramäcnait#r nach einen oder mehreren der vorü3r- gehenden äInsprü che, dadurvt3 . ii parallel ver ei.n-Kondens aa-r i;dscLay ; e M. '.-n-- nach vMor iner '.-n-- gehend= Insprüche, Muvel ,_.., _iire ,.1.: iv_r .. Schaltung g # auf einer , . -gLak-Le-r .. :-#L`?.1nas Lot, dij .,#C@1: ,; jeiner ' #:.L1'Ll.i, Vorzug ;",-;ei so aus gut; UM ? L .i- a210 ! -'I 1-. u' w .,." sf. -, na.ih WupL"jch t ._ i i". dai3 (-io =SchaltplatLucr Eür don e L:kürL i !_ .._ Wocht il d-aV elektronischen Schaltung mit Einee_.nk3!l in Wommbuchsen eines rf_: t; t; r:@ is o:: ,n- !r: Lug in das auch der druckknopfhatütGt;e mit seinen S4eGhl.ontakten e-ingerstorht - Lot. - 11. überstT'omschalbci nach einem oder nahrDren der Vorher-- gehenden Ansprüche, dadurch geüannzeical"ä':, Ü'1ß dlc: Dtudc (15) eine Z2nerdiode ist. _-