DE2121812A1 - Electric control device - Google Patents
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Description
5267 - 14/1 o/ljfm 5267 - 14/1 o / lj fm
899 Lindau (Bodensee) Ihre Nachricht vom Meine Nachricht vom Rennerle 10 Postfach 365899 Lindau (Bodensee) Your message from My message from Rennerle 10 PO Box 365
26. April 1971April 26, 1971
SCI Systems, Inc., P.O. Box 42o8, Huntsville, Alabama 358o2 / USASCI Systems, Inc., P.O. Box 42o8, Huntsville, Alabama 358o2 / USA
Elektrische Steuervorrichtung.Electric control device.
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Steuervorrichtungen und insbesondere elektrische Relais und Leistungsschalter. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiter-Schalterstromkreise zum Ersetzen der mechanischen Relais und Leistungsschalter.The present invention relates to electrical control devices, and more particularly to electrical ones Relays and circuit breakers. More particularly, the present invention relates to semiconductor switch circuits to replace the mechanical relays and circuit breakers.
Es ist seit Langem erwünscht gewesen, eine Halb— leiter-Schaltvorrichtung vorzusehen, welche das mechanische Relais zufriedenstellend ersetzen wird. Eine soldie Vorrichtung hätte den Vorteil, keine mechanischen Kontakte zu besitzen, die verschmutzt laarden können und wäre zuverlässiger im Betrieb. Es wird jedoch angenommen, daß frühere Versuche, eine solche Vorrichtung vorzusehen, nur begrenzten Erfolg erfahren haben« Es gibt verschiedene Gründe für den nur begrenzten Erfolg» Ein solcher Grund liegt wahrscheinlich darin, daß viele frühere Vorrichtungen durchbrennen, mann übermässig hohe Belastungsströme durch sie fliessen, obwohl die selben Ströme mechanischer Relais nicht durchbrennen. Ein anderer Wachteil solcher früherer Vorrichtungen liegt darin, daß sie verhältnismässig gross und unzuverlässig sind und sie verhältnismässig grosse elektrische Störungen erzeugen. Ferner sind einige frühere Vorrichtungen varhältnismässig unwirtschaftlichIt has long been desired to provide a semiconductor switching device which does this will satisfactorily replace mechanical relays. Such a device would have the advantage, none To have mechanical contacts that can load dirty and would be more reliable in operation. It is believed, however, that previous attempts to provide such a device have been limited Have experienced success "There are various reasons for limited success" One such reason Probably lies in the fact that many earlier devices burn out, man excessively high Load currents flow through them, although the same currents of mechanical relays do not burn out. Another disadvantage of such prior devices is that they are relatively large and are unreliable and they generate relatively large electrical disturbances. There are also some earlier devices were relatively uneconomical
' weisen im Betrieb verhäitnismässig hohe Spannungs— y, Justa an dam Relais auf.'have relatively high voltages during operation y, justa at dam relay on.
Genräss dem Obigen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,, eine betriebssichere, laichtss kompakte, störungsfreie und robuste Halb— leiterschaltvorrichtung zu schaffen^ luslcha anstelleIn addition to the above, there is an objective of the present Invention therein ,, a reliable, spawned compact, trouble-free and robust half- ladder switching device to create ^ luslcha instead
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von mechanischen Relais verwendbar ist. Eine andere Aufgabe besteht darin, eine solche Vorrichtung zu schaffen, welche nicht durchbrennt, ujenn sie mit bemessenem Überlaststrom betrieben wird, welche bei normalen Lastströmen verhältnismässig leistungsfähig ist und bei bemessenen Strompegeln uerhältnismässig geringe Spannungsverluste aufweist. Dabei ist eine solche Vorrichtung mit Überlast-Leistungsschaltereigenschaften zu versehen.can be used by mechanical relays. Another object is such a device to create which does not burn out, if it is operated with a rated overload current, which Relatively powerful at normal load currents and has relatively low voltage losses at the appropriate current levels. This is such a device with overload circuit breaker properties to provide.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die obigen Aufgaben erfüllt durch das Schaffen einer mehrstufigen Halbleiter—Schaltvorrichtung, welche einen sehr niedrigen Impadanzpfad zwischen einem Verbraucher und einer elektrischen Stromquelle uorsieht«, Mur eine Stufe der Vorrichtung wird aktiviert, wenn verhältnismässig niedrige (bemessene) Lastströme durch die Vorrichtung fließen, wenn jedoch der Lastetrom über einen vorbestimmten Pegel hinaus zunimmt, wird die zweite Stufe der Vorrichtung aktiviert. Dies ermöglicht der Vorrichtung, beträchtliche Überlastströme ohne Beschädigung zu führen und mit Spannungabfällen, welche innerhalb gewünschter niedriger Grenzen liegen» Vorzugsweise arbeitet die Vorrichtung als ein modifizierter Darlington-Schaltkreis mährend der Überlastung, sie arbeitet jedoch als ein einfacher gesättigter Transistorschalter bei niedrigerer bemessener Last.According to the present invention, the above Tasks fulfilled by creating a multi-level Semiconductor switching device that has a very low impedance path between a load and take care of an electrical power source «, Mur a stage of the device is activated when relatively low (rated) load currents flow through the device, but if the load current increases beyond a predetermined level, the second stage of the device is activated. This enables the device to work considerably Overload currents pass without damage and with voltage drops that are within desired lower limits are »Preferably the device operates as a modified Darlington circuit during overload, however, it works as a simple saturated transistor switch at a lower rated load.
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Die vorliegende Erfindung u/ird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben·The present invention is more preferred by way of example Embodiments described in connection with the accompanying drawings
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 ein Schaltschema einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung j
undFig. 1 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention j
and
Fig. 2 ein Schaltschema einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.Fig. 2 is a circuit diagram of another embodiment of the present invention.
Figa 1 stellt einen Halbleiter-Relaisstromkreis 1o dar, welcher ein Paar von Eingangsanschlüssen 12 und ein Paar von Ausgangsanschlüssen 18 aufmeist. Die Funktion des zusätzlichen Eingangsstromkreises links der. Eingangsanschlüsse 12 luird im folgenden erklärt. Die Eingangsanschlüsse 12 sind an einem herkömmlichen Generator 14 mit konstantem Strom angeschlossen, welcher über eine Ausgangsleitung 48 einem in gestrichelten Linien dargestellten Schalterstromkreis 16'-konstanten Strom zuführt. Ein Verbraucher 2o ist zu/iöchen den Ausgangsanschlüssen 18 angeschlossen. Der Schalter— Stromkreis 16 arbeitet auf den Empfang eines Signals von den Eingangsanschlüssen 12 hin, ym einen niedrigen Impedanzpfad zwischen den Ausgangsanschlüssen 18 und Figure 1 a is a semiconductor relay circuit 1o which aufmeist a pair of input terminals 12 and a pair of output terminals 18th The function of the additional input circuit to the left of the. Input terminals 12 are explained below. The input connections 12 are connected to a conventional generator 14 with constant current, which feeds constant current via an output line 48 to a switch circuit 16 ′ shown in dashed lines. A consumer 2o is connected to the output connections 18. The switch circuit 16 operates in response to receipt of a signal from the input terminals 12 providing a low impedance path between the output terminals 18 and
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den Anschlüssen 22 und 24 eines Gleichstromnetzteiles vorzusehen.to provide the connections 22 and 24 of a DC power supply.
Der Schalterstromkreis 16 enthält zwei Transistoren 26 und 28, ein Paar won Uorspanntuiderständen 32 und 44 und eine Diode 46. Die Emitterleitung 34 des ersten Transistors 26 ist an dem Anschluss 22 des Netzteils angeschlossen und die Kollektorleitung des Transistors 26 ist an einem der Ausgangsanschlüsse 18 angeschlossen. Die Transistoren 26 und 28 sind miteinander verbunden, um einen modifizierten Darlington-Stromkreis zu bilden, Somit ist die Basisleitung 3o des Transistors 26 mit der Emitterleitung 38 des Transistors 28 verbunden und die Kollektorleitung 36 des Transistors 26 ist über die Diode 46 mit der Kollektorleitung 4o des Transistors 28 verbunden. Ohne das Vorhandensein der Diode 46 würde der Schalterstromkreis 16 ein gewöhnlicher Darlington-Stromkreis sein. Die Diode 46 verändert jedoch den Betrieb des Stromkreises recht bedeutend.The switch circuit 16 includes two transistors 26 and 28, a pair of which U biasing resistors 32 and 44 and a diode 46. The emitter line 34 of the first transistor 26 is connected to the connection 22 of the Power supply connected and the collector line of transistor 26 is at one of the output terminals 18 connected. Transistors 26 and 28 are connected together to form a modified Darlington circuit Thus, the base line 3o of the transistor 26 is connected to the emitter line 38 of the Transistor 28 is connected and the collector line 36 of transistor 26 is connected through diode 46 the collector line 4o of the transistor 28 is connected. Without the presence of diode 46, the switch circuit would 16 can be an ordinary Darlington circuit. However, the diode 46 changes the operation of the Circuit quite significant.
Wenn ein Eingangssignal an den Anschlüssen 12 ankommt, wird der Cenerator 14 für konstanten Strom aktiviert und liefert einen konstanten Ausgangsstrom über die Leitung 48 an den ersten Transistor 28. Dieser Strom macht den Transistor 26 leitend und würde ohne das Vorhandensein der Diode 46 den Transistor 28 leitend machen. Wenn jedoch der TransistorWhen an input signal arrives at the terminals 12, the generator 14 becomes constant current is activated and provides a constant output current via line 48 to the first transistor 28. This current makes the transistor 26 conductive and would without the presence of the diode 46 den Make transistor 28 conductive. However, if the transistor
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26 bei v/erhältnismässig niedrigen Laststrompegeln leitend ist, ist die Spannung auf der Kollektorleitung 36 und folglich der Kathode der Diode 46 verhältnis— massig-hoch; das heisst, sie liegt verhältnismässig iahe an W der Netzspannung. Die Spannung an der Kollsktorleitung 4o des Transistors 28 ist beträchtlich niedriger als die Netzspannung, mit dem Ergebnis, daß die Diode 46 rückwärts v/orgespannt ist und keinen Strom führt. Somit ist der Transistor 28 abgeschaltet und der Transistor 26 führt den Laststrom im wesentlichen allein. Der Stromkreis 16 arbeitet nun nicht als ein Darlington—Stromkreis, da die rückwärts vorgespannte Diode 46 die normale negative Rückführung verhindert, welche in der Darlington-Anordnung eintritt.26 at relatively low load current levels is conductive, the voltage on the collector line 36 and consequently the cathode of the diode 46 is in proportion- massive-high; that is, it is proportionate iahe at W of the mains voltage. The voltage on collector line 4o of transistor 28 is substantial lower than the line voltage, with the result that diode 46 is reverse biased is and has no electricity. Thus, the transistor 28 is turned off and the transistor 26 leads the Load current essentially alone. The circuit 16 now does not work as a Darlington circuit, since the reverse biased diode 46 prevents the normal negative feedback that occurs in the Darlington arrangement occurs.
Während der überlastung, wenn der Laststrom einen vorbestimmten Pegel übersteigt, fällt die Spannung an der Kathode der Diode 46 auf einen verhältnismässig niedrigen UJert und schliesslich unter ihre Anoden—During the overload, when the load current exceeds a predetermined level, the voltage drops at the cathode of the diode 46 to a comparatively low UJert and finally below its anodes -
jE.nnung ab, so daß sie nun negativen Rückführstrom führt. Unter diesen Bedingungen arbeitet der Schalterstromkreis 16 nun als sin Darlington-Stromkreis, welcher in der Lags ist, beträchtlich grössare überbelastungen ohne Durchbrennen auszuhalten, als es der Transistor 26 allein würde. In dieser Art des Betriabas arbeitet der Transistor 26 in einemjE.nnung so that they are now negative feedback current leads. Under these conditions, the switch circuit 16 now works as a sin Darlington circuit, which is in the lag is considerably larger withstand overloads without burning out than transistor 26 alone would. In this way of the operating base, the transistor 26 works in one
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anderen Bereich seiner Kennlinien als er es tat, wenn die Diode 46 rückwärts vorgespannt tu ar. Das Ergebnis ist, daß der Transistor 26 noch innerhalb seines Sättigungsbereiches arbeitet, so daß er dem Fluß des Stromes durch ihn noch niedrige Impedanz bietet. Somit ist der Spannungsabfall an dem Halbleiter-Relaisstromkreis 1o auf einem durchweg niedrigen Pegel gehalten, der den Spannungsabfällen entspricht, die gewöhnlich bei mechanischen Relais auftreten.different range of its characteristics than it did when the diode 46 is reverse biased. The result is that transistor 26 is still operating within its saturation range, so that it still offers low impedance to the flow of current through it. Thus the voltage drop is on the semiconductor relay circuit 1o held at a consistently low level that the Corresponds to voltage drops commonly encountered in mechanical relays.
Der Teil des Schaltkreises links won den Eingangsanschlüssen 12 sieht die Leitungstrennung der zwei weiteren Eingangsleitungen 52 von dem Rest des Relaisschaltkreises vor. Dieser wahlweise angebrachte Teil des Schaltkreises dient deshalb dazu, den Elektromagnet oder die Spule eines gewöhnlichen mechanischen Relais zu ersetzen, ohne die durch eine solche Spule vorgesehene Leitertrennung zu opfern.The part of the circuit on the left after the input terminals 12 sees the line separation of the two further input lines 52 from the remainder of the relay circuit. This optionally attached Part of the circuit therefore serves to control the electromagnet or coil of an ordinary replace mechanical relays without sacrificing the conductor separation provided by such a coil.
Die Trennung ist durch einen herkömmlichen photonengekoppelten Trennschaltkreis 5o vorgesehen, welcher aus einer lichtaussendenden Gallium-Arsen-Diode 56 besteht, die Licht an eine Fotodiode 58 abgibt. Ein anderer Generatorschaltkreis 54 für konstanten Strom ist vorgesehen, um der Diode 56 Strom zuzuführen. Wenn an den Eingangsleitungen 52 EingangssignaleThe separation is provided by a conventional photon-coupled separation circuit 5o, which consists of a light-emitting gallium arsenic diode 56 which emits light to a photodiode 58. Another constant current generator circuit 54 is provided to supply current to the diode 56. If on the input lines 52 input signals
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aufgenommen werden, liefert der Generatorschaltkreis 54 Strom an die Diode 56, welche Licht auf die Fotodiode 58 abstrahlt, sie leitend macht und veranlasst, über die Eingangsanschlüsse 12 dem Generator 14 ein Signal zu senden. Dies ueranlasst den Relaisstromkreis 1o, auf die oben beschriebene Art zu arbeiten. Der Trennschaltkreis 5o sieht somit die Leiterirennung des Einganges von den Ausgangsanschlüssen 18 vor.are recorded, supplies the generator circuit 54 Current to the diode 56, which radiates light onto the photodiode 58, making it conductive and causes a signal to be sent to the generator 14 via the input connections 12. this causes relay circuit 1o to operate in the manner described above. The isolating circuit 5o thus provides for the conductor separation of the input from the output connections 18.
Der Transistor 26 sollte so gewählt werden, daß er Stromv/erstärkungs-(Beta)-li/erte aufweist, die über einen angemessen breiten Strombereich ziemlich konstant sind. Das heisst, die Stromverstärkung sollte von "bemessenen" bis "Uberlast"-Stromwerten verhältnismässig stabil sein. Ein Transistor, welcher beispielsweise für eine bemessene Last von 1 Amp. und eine überlast von 1o Amp. geprüft und für zufriedenstellend befunden wurde, ist der "Hochleistungs"-PNP-Siliziumtransistor 2N 4398 von motorola. Gleichermassen ist der Kunststoff-PNP-Siliziumtransistor mittlerer Leistung 2 N 4918 von motorola eifolgreich als Transistor 28 verwendet worden. Der Transistor 2 N 4398 weist einen sehr niedrigen "Ein" oder Sättigungswiderstand bei einem Ampere auf. Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung ist ein gleichermassen niedrige}The transistor 26 should be chosen so that it has Stromv / gain (beta) -li / erte that about are fairly constant over a reasonably wide range of currents. That is, the current gain should be relatively stable from "rated" to "overload" current values. A transistor, which for example, for a rated load of 1 Amp. and an overload of 1o Amp. and tested for has been found to be satisfactory is the "high performance" silicon PNP transistor 2N 4398 of US Pat Motorola. Likewise is the plastic PNP silicon transistor medium power 2 N 4918 used by Motorola as transistor 28 successfully been. The transistor 2 N 4398 has a very low "on" or saturation resistance at one amp. By using the present invention, an equally low}
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Sättigungsiuiderstand bei überlaststrom ebenso vorge— sehen.Saturation resistance for overload current also provided see.
Die Diode 46 sollte einen so geringen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung wie möglich aufweisen» Eine erfolgreich untersuchte Diode ist die Diode UTX-2I0 won Unitrode Corporation.The diode 46 should have as low a voltage drop in the forward direction as possible » One diode that has been successfully studied is the UTX-2I0 from Unitrode Corporation.
In einem Stromkreis, der die oben bezeichneten Bauteile verwendete und eine Speisespannung \l von 2o UoIt aufwies, wurde an dem Emitter-Kollektor-Pfad des Transistors 26 ein Spannungsabfall von weniger als I00 lYlillivolt gemessen, wenn ein bemessener Laststrom von 1 Amp. floß. Bei einem Laststrom von 1o Amp. betrug die Spannung an der selben Stelle 1,3 UoIt. Diese beiden Spannungsabfälle sind im wesentlichen identisch den Spannungsabfällen an den Kontakten eines typischen mechanischen Relais mit den selben Lastabmessungen. Darüberhinaus wurde der Überlaststrom von 1o Amp. über einen' beträchtlichen Zeitraum aufrechterhalten, ohne ein Durchbrennen und ohne das Erreichen des Zustandes der thermischen Instabilität, welche ein Durchbrennen verursachen könnte.In a circuit which used the components described above and had a supply voltage \ l of 20 UoIt, a voltage drop of less than 100 lYlillivolt was measured on the emitter-collector path of the transistor 26 when a rated load current of 1 amp was flowing. With a load current of 10 amps, the voltage at the same point was 1.3 UoIt. These two voltage drops are essentially identical to the voltage drops across the contacts of a typical mechanical relay with the same load dimensions. In addition, the 10 amp overload current was maintained for a considerable period of time without burnout and without reaching the state of thermal instability which could cause burnout.
Die in Fig. 2 dargestellte alternative Ausführungsform ist der in Fig. 1 dargestellten identisch, ausgenommenThe alternative embodiment shown in FIG is identical to that shown in Fig. 1, except
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toto
daß der Eingangs—Trennungsstromkreis weggelassen ist, und NPN-Transistoran 60 und 62, die PNP-Transistoren 28 bzw. 26 ersetzen (natürlich mit umgekehrten Emitter-Kollektor-Anschlüssen). Ausserdem ist eine Leistungsschalterunktion durch einen Stromkreis 68 vorgesehen, welcher ein herkömmlicher Verstärkergleichrichter mit einem verriegelnden Ausgang ist. Der Stromkreis 68 erfasst den Spannungsabfall an einem sehr kleinen (beispielsweise o,o5 Ohm) Widerstand 66, welcher in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet ist. UJenn die Spannung an dem Widerstand 66 einen vorbestimmten UJert übersteigt, was den Fluß eines Laststromes über einer gewünschten Grenze anzeigt, führt der Stromkreis 68 der Basisleitung 7o des Transistors 60 einen Strom in einem Sinn zu, der dem in der Leitung 7o fließenden steuernden Basisstrom entgegengesetzt gerichtet ist, um somit die Transistoren 60 und 62 zu sperren und das Relais zu "öffnen". Der Ausgang des Stromkreises 68 verriegelt sich in seinem neuen Zustand, bis er ein Rückstellsignal erhält oder bis das Eingangssignal von dem Stromkreis entfernt wird· Somit ist ein zwsckmässiges sicheres Relais mit einer integralen Leistungsschalterfunktion vorgesehen worden.that the input isolation circuit is omitted is, and NPN transistors on 60 and 62, the PNP transistors Replace 28 or 26 (of course with reverse emitter-collector connections). Besides that a circuit breaker function is provided by a circuit 68 which is a conventional Amplifier rectifier with a locking output is. The circuit 68 detects the voltage drop at a very small (for example 0.05 ohm) resistor 66, which is in series with the consumer is switched. UJenn the voltage at the resistor 66 exceeds a predetermined UJert, which is the Indicates flow of a load current above a desired limit, the circuit 68 leads the base line 7o of the transistor 60 to a current in a sense that of the controlling flowing in the line 7o Base current is directed in the opposite direction, thus blocking transistors 60 and 62 and that Relay to "open". The output of circuit 68 locks in its new state until it receives a reset signal or until the input signal is removed from the circuit · Thus is a functional safe relay with an integral Circuit breaker function has been provided.
Der Schalterstromkreisteil des in Fig. 2 dargestellten Stromkreises arbeitet auf die salbe U/eise wie der inThe switch circuit portion of the circuit shown in FIG. 2 operates in the same way as that in FIG
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Fig. 1 dargestellte Schalterstromkreis 16, ausgenommen, daß die Anschlüsse des Verbrauchers an die Transistoren auf die in Fig. 2 dargestellte Weise umgekehrt sind.Fig. 1 shown switch circuit 16, except, that the connections of the consumer to the transistors are reversed in the manner shown in FIG.
Das Halbleiter-Relais der vorliegenden Erfindung meist zahlreiche Vorteile auf. Erstens erzeugt es ungleich einigen früheren Vorrichtungen keine elektrische Störung tion Bedeutung, ferner weist das Relais an seinen Ausgangsanschlüssen Spannungsabfälle auf, welche denen gewöhnlicher Relais mit den selben Betriebsdaten entsprechen. Auch brennt das Relais infolge plötzlicher überbelastung,thermischer Instabilität oder anderer Effekte nicht leicht durch. Ausserdem ist die Schaltung verhältnismässig einfach und billig herzustellen, sie ist kompakt, elektrisch leistungsfähig, verhältnismässig leicht und betriebssicher. Andere Vorteile sind oben erklärt morden und werden aus der vorangegangenen Beschreibung hervorgehen.The semiconductor relay of the present invention usually has numerous advantages. First, it creates unlike some earlier devices, no electrical fault tion meaning, furthermore the relay instructs its output terminals indicate which voltage drops correspond to those of ordinary relays with the same operating data. Also the relay burns as a result of sudden overload, thermal instability or other effects. In addition, the circuit is relatively simple and cheap to manufacture, it is compact, electrically efficient, relatively light and reliable. Other advantages are explained above and are morden from the previous one Description emerge.
PatentansprücheClaims
- 12 -- 12 -
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Claims (1)
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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