DE1924279C3

DE1924279C3 - Zweipolige Thyristor-Schaltvorrichtung für Wechselstromkreise

Info

Publication number: DE1924279C3
Application number: DE19691924279
Authority: DE
Inventors: Hans 4330 Muelheim Turck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-05-13
Filing date: 1969-05-13
Publication date: 1975-06-12
Also published as: DE1924279B2; DE1924279A1

Description

^ für die Steuereinrichtung gewonnen und in einem Siebkondejisator gespeichert,,wird- Während der restlichen Halbwelle, zu welcher der Thyristor durchgeschaltet ist, liefert dann der Siebkondensator äie Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung. Bei dirchgesch^tetem Thyristor wird dem Laststromkreis keine Energie zur Versorgung der Steuereinrich-

Sperrzeiten, d, h. bei konsfcuiten ^

ist der Flächeninhalt eines;. Anschnittzipfejs noch abhängig von der Große des LastesidetsiiHMJes, da bei größerem Lastwiderstand; die Halbwelle flacher yerJäuft und folglich der Anschnittzipfel niedriger als bei kleinem Las^widerstand ist. Wenn man mit einem konstanten Aaschnittwinkel arbeitet, so muß man diesen so groß wählen, daß auch bei dem höchstzulässigen. Lastwiderstand noch eine hd E

sigen Lastwiderstand noch eine tung entnommen, sondern an der Last liegt die un- 10 ausreichende Energie am Siebkondensator gespei-

verfälschte Netzspannung an. Allerdings werden bei der bekannten Schaltvorrichtung sowohl die bei gesperrtem Thyristor zur Verfügung stehende hohe Versorgungsspannung als auch die bei durchgeschaltetem Thyristor geringe, aus den Anschnittzipfeln gewinnhare Versorgungsspannung über denselben, einen verhältnismäßig großen Vorwiderstand enthaltenden Kanal der Steuereinrichtung zugeführt. Hierdurch kann aber die bekannte Schaltvorrichtung nur für Schaltleistungen über 15 Watt eingesetzt werden, da bei kleineren Schaltleistungen, d. h. bei größeren Lastwiderständen, der hochohmige Vorwiderstand und der testwiderstand die aus den Anschnittzipfeln gewinnbare Versorgungsspannung nahezu vollständig aufzehren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweipolige Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die engen Grenzen des zulässigen Lastwiderstandes weitgehend beseitigt und chert wird. Bei Verwendung eines kleinen Lastwiderstandes wird dann eine über das erforderliche Maß hinausgehende Energie am Siebkondensator gespeichert. Eine solche überschüssige Energie ist aber im Hinblick auf die damit verbundenen Wärnieeffekte unerwünscht. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll daher noch dafür gesorgt sein, daß weitgehend unabhängig von der Größe des Lastwiderstandes jeweils nur die erforderliche Versorgungsenergie für die Steuereinrichtung gewonnen wird. Dies wird in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Triggereinrichtung einen über einen Widerstand aufzuladenden Kondensator als Zeitglied aufweist und daß dieser Widerstand

>5 und dieser Kondensator und der Kondensator der Schutzbeschaltung derart bemessen sind, daß der Energieinhalt der an die Schutzbeschaltung gelieferten Anschnittzipfel unabhängig von der Größe des Lastwiderstandes annähernd konstant ist An dem

sowohl kleine als auch große Lastwiderstände zuläs- 30 Kondensator der Schutzbeschaltung tritt ein um so

sig sind.

Ausgehend von einer zweipoligen Schaltvorrichtung der eingangs genannten Art wird dies erfindungsgemäß dedurch erreicht, daß die über dem Thyristor als Spannungsabfall auftretenden Anschnittzipfel über den Kondensator und den Widerstand einer parallel zu dem Thyristor liegenden, als Schutzbeschaltung dienenden Reihenschaltung und über eine Gleichrichteranordnung dem Siebkondensator parkleinerer Spannungsanstieg auf, je größer der Lastwiderstand ist. Je kleiner dieser Anstieg ist, desto länger dauert die Aufladung des Kondensators der Triggereinrichtung; es wird also erst später die Zündspannung der Triggerdiode erreicht. Damit wird aiso mit zunehmender Größe des Lastwiderstandes auch der Anschnittwinkel größer und folglich der Anschnittzipfel breiter. Die durch einen größeren Lastwiderstand bewirkte Abflachung des Anschnittzipfels

allel zu der über den Vorwiderstand erfolgenden Ein- 40 wird also durch dessen Verbreiterung in Richtung

speisung zugeführt sind.

Infolge dieser Maßnahmen Heizen zwei verschiedene Kanäle für die Lieferung d*. 1 Versorgungsspannung an die Steuereinrichtung vor, nämlich einmal bei gesperrtem Thyristor die Leitung mit dem hochohmigen Vorwiderstand und zum andern beim durchgeschalteten Thyristor die parallele Zuleitung mit dem Widerstand und dem Kondensator der Schutzbeschaltung und mit der G'.jichrichteranordnung, wobei die zweite Zuleitung unter Umgehung des Vorwiderstandes bis zum Eingang der Steuereinrichtung führt. Bei durchgeschaltetem Thyristor gelangt folglich die aus den Anschr.ittzipfeln gewonnene VersorguTigsspannung über den niederohmigen zweiten Weg mit ihrem nahezu vollen Energiegehalt an die Steuereinrichtung bzw. an den Siebkondensator. Infolgedessen wird bei der Schaltvorrichtung nach der Erfindung auch dann noch eine ausreichende Energieversorgung der Steuereinrichtung gewährleistet, wenn der Lastwiderstand verhältnismäßig hoch ist, beispielsweise eine Schaltleistung von nur wenigen Watt verlangt wird.

Bei der Schaltvorrichtung nach der Erfindung wird jeweils eine dem Flächeninhalt eines Anschnittzipfels entsprechende Energie am Siebkondensator gespeichert, die selbstverständlich für die Versorgung der Steuereinrichtung während der restlichen Halbwelle ausreichend sein muß. Bei konstanten Thyristorauf eine weitgehende Konstanthaltung des Flächeninhaltes des Anschnittzipfels kompensiert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der Schaltvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Auszug aus dem Schaltbild nach F i g 1, F i g. 3 und 4 je ein Spannungsdiagramm. F i g. 1 zeigt eine kontakt- und berührungslos arbeitende Schaltvorrichtung 1, die mit ihren zwei Außenleitungen 2,3 analog einem gewöhnlichen Endschalter in Reihe mit einem Lastwiderstand 4 an eine Wechselstromquelle 5 gelegt ist. Zwischen

Wechselstromkreis und Schaltvorrichtung 1 liegt eine Gleichrichterbrücke 6. Zur berührungslosen Betätigung der Schaltvorrichtung dient eine Steuereinrichtung?, die im Schaltbild links von der gestrichelten Linie liegt. Die Steuereinrichtung 7 umfaßt einen

HF-Oszillator 7 a, dessen Plus-Eingang über einen Vorwiderstand 9 an die Gleichrichterbrücke 6 angeschlossen ist. Bei dem Oszillator la liegen in bekannter Weise der statische und dynamische Arbeitspunkt möglichst weit auseinander, um bei einer

Bedämpfung des Schwingkreises durch Annäherung einer Metallfläche einen möglichst großen Stromabfall zu erreichen (bei Sperrschwinger Stromanstieg). Dieser Stromabfall bewirkt eine Verkleinerung des

Spannungsabfalls an einem Widerstände, der zwischen Basis und Emitter eines Transistors 10 liegt, und bewirkt damit eine Sperrung des Transistors 10. Der gesperrte Transistor'lO gibt die Halbwellenspannung für eine an sich bekannt« Triggerschaltung frei, welche Widerständen und 12, einen Kondensator 13 und eine Triggerdiode 14 umfaßt. Der Widerstandll liegt hierbei zwischen dem Kollektor des Transistors und der Außenleitung 3. Der Widerstand 12 und der Kondensator 13 liegen in Reihe zwischen dem Kollektor des Transistors 10 und der Außenleitung 2. Der gemeinsame Schaltungspunkt Von Widerstand 12 und Kondensator 13 ist über die Triggerdiode 14, vorzugsweise eine Dreischichtdiode, an die Steuerelektrode eines Thyristors IS angeschlossen. Von den in der Triggerschaltung erzeugten Impulsen wird der Thyristor 15 gesteuert. Da der Thyristor 15 in dem Gleichstromzweig der Gleichrichterbrücke 6 liegt, kann über ihren Wechselstromzweig Wechselstrom geschaltet werden. Durch Rückkopplung über einen zwischen Außenleitung 3 und Basis des Transistors 10 geschalteten Widerstand 16 wird ein sauberes Schaltverhalten erreicht.

Wenn der Thyristor 15 durchgeschaltet ist, beträgt der Spannungsabfall an ihm je nach Größe der Last 4 maximal 1,5 V. Diese Spannung reicht zur Energieversorgung der Steuereinrichtung 7 über den Vorwiderstand 9 nicht mehr aus.

Der Thyristor 15 wird daher in Anschnittsteuerung geschaltet, wobei ein für die Last 4 unwesentlicher Anschnitt jeder Halbwelle erfolgt. Die hierbei entstehenden, sonst bei der Anschnittsteuerung ungenutzten Anschnittzipfel finden auf Grund ihrer steilen Planken in der auch bei üblichen Thyristor-Schaltvorrichtungen vorhandenen Schutzbeschaltung, bestehend aus zwischen den Leitungen 2 und 3 in Reihe liegendem Widerstand 17 und Kondensator 18, einen sehr kleinen Wcchscktromwiderstand. Die Anschnittzipfel werden über die Schutzbeschaltung 17/18 uif eine Gleichrichteranordnung aus Dioden 19 und 20 geführt und durch einen nachfolgenden Siebkondensator 21 geglättet. Die Diode 20 liegt mit ihrer Anode an der Außenleitung 2 und mit ihrer Kathode am Kondensator 18. Die Diode 19 ist mit ihrer Anode ebenfalls an den Kondensator 18 angeschlossen, während ihre Kathode an die vom Siebkondensator 21 zum Plus-Eingang des Oszillators 7 α führende Leitung angeschlossen ist. Auf der anderen Seite ist der Siebkondensator 21 mit der Außenleitung 2 verbund«!. Die in dieser Gleichrichterschaltung erzeugte Gleichspannung reicht zur Versorgung der SieueteinTtchrong? gut aus. Die Schutzfunktion der Schulzbeschaltung 17/18 bleibt irötz dieser Maßnahme voll erhalten. Ferner ist in der Zeichnung noch etae Zen'efdiodc 22 zwischen dem Plus-Eingang des Oszillators 7 α und der AxtBenleitung 2 gezeigt.

; Fig. 3 zeigt in ausgezogenen HalbweHenlmien die Spannung U^ am Thyristor 15 bei einem bestimmten lastwtdcrstand* und für den Fäll, daß die Steuereinrichtung? einen Ausschaltzustand verlangt Sobatd die Steuereinrichtung {durch Sperren des Transistors 10 in Fig. 1) emcn Einschaltzustand verlangt, wird die Triggcrsehaltang wirksam, und in der Zeitspanne J₁ haut sich an der Triggerdiode 14 die Schaltspannung If₁₁ auf. Der Triggerimpuls schaltet den Thyristor 15 durch, aa dem darm also nur noch die Spannunas-Amchmltzipfcl A, auftreten.

Wenn dagegen ein wesentlich größerer Lastwiderstand 4 verwendet wird, ergibt sich die in Fig. 4 zur Verdeutlichung übertrieben klein dargestellte Halbwellcnspannung U., am Thyristor 15, die niedri ger als die Spannung IZ₁ nach Fig. 3 ist. Würde die Triggerdiode 14 auch in einem solchen Fall bereits nach der Zeitsperre i, ihre Schaltspannung U_n erreichen, wäre der Flächeninhalt der Anschhittzipfel kleiner. Durch die als Verzögerungsglied wirkenden

Teile 13,18,11/12,4 wird jedoch der Aufbau der Schaltspannung U_n um eine Zeitspanne t., verzögert, die derart gewählt ist, daß der Flächeninhalt der Anschnittzipfel A„ möglichst gleich dem Inhalt der Anschnittzipfel A] ist.

Die bei durchgeschaltetem Thyristor 15 an der Gleichrichteranordnung 19,20 gewinnbare Spannung und Energie für die Versorgung der Steucrelektronik 7 hängt vom Flächeninhalt der Anschnittzipfel der angeschnittenen Halbwellen ab. Ohne

besondere Vorkehrungen wäre jedoch der Flächeninhalt der Anschnittzipfel abhängig von der Größe des Lastwiderstandes 4, dessen Größe in der Praxis bis zum Hundertfachen unterschiedlich sein kann. Dies würde zur Folge haben, daß bei zu großer

^a5 Last 4 die bei 19,20 gewonnene Gleichspannung zur Energieversorgung der Steuerelektronik 7 nicht mehr ausreichen würde oder daß bei zu kleiner Last 4 eine zu starke Wärmeentwicklung infolge zu hoher Speisespannung auftreten würde.

Dieser Schwierigkeit ist bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 durch eine entsprechende Verzögerung der Triggerang der Triggerdiode 14 begegnet, was an Hand der F i g. 2 bis 4 näher erläutert ist.

F i g. 2 zeigt einen Auszug der für diese Verzögerung maßgeblichen Schaltungselemente aus der Schaltung nach Fig. 1. Wie aus Fig. 2 gut ersichtlich, hegen der Testwiderstand 4 und der Ladewiderstand 11 mit Widerstand 12 in Reihe zwischen der Triggerdiode 14 und der von der Wechselstromquelle 5 und der Gleichrichterschaltung 6 gebildeten Halbweilen-Stromquelle 5/6. Die Kondensatoren 13 und 18, Kondensator 18 ist groß gegenüber dem Kondensator 13, sind jeweils parallel zur Strom-

quelle 5/6 geschaltet, wobei der Kondensator 13 an einer Seite an einen Schaltungspunkt zwischen Triggerdiode 14 und Widerstand 11/12 und der Kondensator 18 an einen Schaltungspunkt zwischen dem Widerstand 11/12 und dem Lastwidersiand 4 ange-

schlossen ist. Die Teile 13, 18, 11/12 und 4 sind damit als ein an sich bekanntes Verzögerungsglied geschaltet, welches die Zeitspanne bestimmt, zu der sich an der Triggerdiodel4 die erforderliche Schaltspannung ü_u in Durchlaßrichtung aufbaut.

Denn wie aus Fig.- 2 ersichtlich ist, wirken der Lastwiderstand4 und der Kondensator 18 der Schutzbeschaltung als SRC-Glied, das von der von der Stromquelle 5/6 gelieferten pulsierenden Gleichspannung beaufschlagt ist, so daß der an dem Kon-

*<> densator auftretende Spannungsanstieg kleiner -wird, je größer der Lastwiderstand 4 ist. Von diesem Kondensator wird über den Widerstand 11/12 der Kondensator 13 der Triggercinrichtung gespeist, jan dem sich folglich die für die Triggerdiode 14* crfbr-

derlichc Zündspannung um so langsamer aufbaut, je größer der Testwiderstand 4 ist. Die bei einem größeren Lastwidcrsrand 4 nur eine geringere Spanmmeshöhe aufwehenden Anschniltiüpfcl werden

folglich durch diese verzögerte Triggeriing in Richtung auf eine weitgehende Konstanthaltung des Flächeninhaltes der Anschnittzipfcl verbreitert. Damit ist während der Durchlaßphasc der Schaltvorrichtung eine weitgehend konstante Stromversorgung für die Stcuerelcktronik 7 auch bei unterschiedlichen Lastwiderständen 4 gewährleistet. Auf Grund der

beschriebenen Energicregelung sind die Grenzen de größten und kleinsten Lastwiderstandes 4 nur noci einerseits durch den maximal zulässigen Durchlaß strom des Thyristors 15 und andererseits durch dlei geforderten Mindeststrom für den Lastwiderstand A z. B. durch den Haltestrom eines als Last verwende ten Schützes, gegeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

I 924 279

?" Patentansprüche;

''I. Zweipolige Schaltvorrichtung für einen "Wechselstromkreis nut einem Thyristor a!s .Schaltelement, der über eine Gleichrichterbrücke an den zu schaltenden Wechselstromkreis angeschlossen ist, und mit einer von dem Spannungsabfall am Thyristor über einen Vorwiderstaiid und über einen Siebkondensator mit einer gegüätteten Gleichspannung gespeisten Steuereinrichtung für den Thyristor, der von ,einer durch die Steuereinrichtung ein- und ausschaltbaren, parallel zum Thyristor angeordneten Tnggereinrichtung derart angesteuert ist, daß das Zünden des Thyristors jeweils nicht im Nulldurchgang der Wechselspannung, sondern bei einem die Lastspannung nur unwesentlich verringernden Anschnittwinkel erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die über dem Thyristor (15) als Spannungsabfall auftretenden Anschnittzipfel über den Kondensator (18) und den Widerstand (17) einer parallel zu dem Thyristor (15) liegenden, als Schutzbeschallung dienenden Reihenschaltung und über eine Gleichrichteranordnung (19, 20) dem Siebkondensator (21) parallel zu der über den Vorwiderstand (9) erfolgenden Einspeisung zugeführt sind.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadu.ch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung einen über einen Widerstand (11,12) aufzuladenden Kondensator (13) als Zeitglied aufweist und daß dieser Widerstand (11,12) und dieser Kondensator (13) und der Kondensator (18) der Schutzbeschaltung derart bemessen sind, daß der Energieinhalt der an die Schutzbeschaltung (17, 18) gelieferten Anschnittzipfel unabhängig von der Größe des Lastwiderstandes (4) annähernd konstant ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine zweipolige Schaltvorrichtung für einen Wechselstromkreis mit eineni Thyristor als Schaltelement, der über eine Gleichrichterbrücke an den zu schaltenden Wechselttromkreis angeschlossen ist. und mit einer von dem Spannungsabfall am Thyristor über einen Vorwideritand und über einen Siebkondensator mit einer geglätteten Gleichspannung gespeisten Steuereinrichtung für den Thyristor, der von einer durch die Steuereinrichtung ein- und ausschaltbaren, parallel rum Thyristor angeordneten Triggereinrichtung derart angesteuert ist, daß das Zünden des Thyristors jeweils nicht im Nulldurchgang der Wechselspannung, sondern bei einem die Lastspannung nur unwesentlich verringernden Anschnittwinkel erfolgt.

Bei einer zweipoligen Thyristor-Schaltvorrichtung müssen die beiden Pole notwendigerweise zur Herstellung des die Wechselstromquelle, die Last und den Thyristor enthaltenden Laststromkreises verwendet werden, was zur Folge hat, daß die Versorgungsspannung für die Steuereinrichtung des Thyristors nur noch von diesem Laststromkreis gewonnen werden kann. Dies bereitet keine Schwierigkeiten, so-■'" lange der Thyristor gesperrt ist, da dann bis zuin f; Thyristor hin die Wechselspannung, bzw- bei Zwj-

-' .^icnenschaltung einer^öieichrichterbriicke, eine pul_r sierende Gleichstromspannung anüegt_r aus welcher 5., die erforderliche Versorgungsspannung ßir die Thyristorsteuereinrichtung in einfacher Weise gewönnen werden kann. Kritisch sind jedoch die Verhältnisse, wenn der Thyristor durchgeschaltet hat* da dann die beiden Pole der Schallvorrichtung, abgesehen von

ίο dem geringen Innenwiderstand des durchgeschalteten Thyristors, kurzgeschlossen sind und also innerhalb der Schaltvorrichtung keine Spannung mehr vorliegt, aus der eine ausreichende Versorgungsspannung erzeugt werden könnte.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1286099 ist eine zweipolige Schaltvorrichtung für einen Wechsel-Stromkreis mit einem Thyristor als Schaltelement und mit einem von außen beeinflußbaren Oszillator als Steuereinrichtung bekannt, wobei der Thyristor über

*o eine Gleichrichterbrücke an den zu schaltenden Wechselstromkreis angeschlossen ist. Parallel zu dem Thyristor liegt als SchuUbeschaltung die Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes. Der Oszillator wird über einen Siebkondensator

»5 ständig mit einer geglätteten Gleichspannung gespeist. Bei abgeschaltetem Thyristor wird diese Spannung parallel zum Thyristor entnommen. Die zweipolige Schaltvorrichtung besitzt einen Stromwandler, dessen Primärseite im Laststromkreis liegt und dessen Sekundärseite bei durchgeschaltetem Thyristor die erforderliche Versorgungsspannung über Gleichrichter an den als Steuereinrichtung arbeitenden Oszillator liefert. Bei dieser bekannten Schaltvorrichtung ist jedoch die vom Stromwandler erzeugte Spannung abhängig vom Laststrom, Jt wiederum von der Größe des verwendeten Lastwiderstandes abhängt. Zudem stellt der Stromwandler unvermeidbar einen zusätzlichen, im Laststromkreis liegenden Verbraucher dar, welcher einen Teil der Netzspannung verbraucht, welcher der eigentlichen Last, z. B. dem zu schaltenden Schütz, verlorengeht. Die in Betrieben zur Verfügung stehenden Netzspannungen sind jedoch auf bestimmte Nennspannungen genormt, und in gleicher Weise sind die handelsüblichen Verbraucher, z. B.

Schütze, für die entsprechenden Nennspannungen genormt. Durch den erwähnten Eigenverbrauch des Stromwandlers ist bei der bekannten Schaltvorrichtung die Einhaltung der Nennspannung für die Last, z. B. ein Schütz, nicht mehr gewährleistet, sondern die Nennspannung wird zwangläufig unterschritten. Diese Unterschreitung der Nennspannung fällt insbesondere bei Verbrauchern kleiner Nennspannung ins Gewicht, weshalb die bekannte Schaltvorrichtung nur für Verbraucher mit verhältnismäßig hoher Nennspannung, d. h. für verhältnismäßig große Lastwiderstände, eingesetzt werden kann.

Durch den Prospekt »Technische Mitteilung — captoren schalten Schütze kontaktlos«, 1/5/67, der Fa. Weber-Elektronik, Sushörn, und durch ein offenkundig vorbenutztes Gerät der gleichen Firma ist ferner eine zweipolige Thyristorschaltvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, wobei allerdings aus dem genannten Prospekt der Siebkondensator nicht ersichtlich ist. Bc; dieser bekannten Schaltvorrichtung sind auch während des Einschaltzustandes der Schaltvorrichtung künstlich kurze Zeitspannen vorgesehen, während der der Thyristor noch gesperrt bleibt, während der sich also in der Schaltvorrichtung