DE2217861A1 - Elektronisches Festkörper Relais - Google Patents

Elektronisches Festkörper Relais

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Description

North American Philips Corporation, New York, N.Y./USA
Elektronisches Festkörper—Relais
Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Relais mit Festkörperelementen in Erregungs- und Schaltbereichen.
Es sind bereits eine Anzahl elektronischer Festkörper-Relais vorgeschlagen worden, bei denen eine Impulserzeugung sschaltung in dem Erregungsbereich, d.h. dem Niederleistungsbereich verwendet ist, der der Spule eines gewöhnlichen elektromagnetischen Relais entspricht. Die Energie wird zu dem Schaltbereich dieser Festkörper-Relais übertragen, d.h. zu dem relativ große Ströme führenden Be reich, der den Kontakten eines gewöhnlichen Relais äquivalent ist. Dieser Schaltbereich mit Festkörpereinrichtungen führt verhältnismäßig große Stromwerte, ist aber empfindlich genug, um von dem nichtMtenden Zustand in den leitenden Zustand bei sehr kleinen, pulsierenden Leistungswerten geschaltet zu werden, die von einem Schwingungsgenerator in dem Erregungsbereich geliefert werden. Die Leistung würde mittels Impulsübertrager, mittels optischer Elemente
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oder mittels piezoelektrischer Einrichtungen übertragen; in jedem Fall wiirde aber die Leistung in Form von Energieimpulsen, und nicht kontinuierlich bzw. fortlaufend übertragen.
Einer der Nachteile der Impulsübertragung besteht darin, daß die Impulsfolgefrequenz so hoch sein muß, daß der Festkörper-Schaltbereich leitend wird, sobald eine Wechselspannung, die an die stromführenden Elektroden angelegt ist, die richtige augenblickliche Polarität besitzt. Je höher die Impulsfolgefrequenz ist, um so wahrscheinlicher wird der Schaltberei ch leitend, sobald die Wechselspannung die richtige augenblickliche Polarität erreicht. In jedem Fall bestand aber immer die Möglichkeit einer endlichen Verzögerung, die sich von einem Schaltzustand zum nächsten um einen Wert ändern konnte, der gleich der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektroni sches Festkörper-Relais anzugeben, bei dem die Energie, bei der der Schaltbereich leitend wird, fortwährend so übertragen wird, daß der Schaltbereich in dem Augenblick leitend wird, in dem die an ihn angelegte Wechselspannung die richtige augenblickliche Polarität besitzt.
Gemäß der Erfindung ist ein elektronisches Festkörper-Relais mit einem in Reihe zu zwei Eingangsanschlüssen geschalteten Erregungsbereich und mit einem in Reihe zu zwei Ausgangsanschlüssen geschalteten Schaltbereich vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Erregungsbereich eine Konstant-Stromschaltung aufweist, die an die Eingangsanschlüsse angekoppelt ist und eine Licht emittierende Diode aufweist, die entsprechend dem Strom mit vorbestimmter Polarität und Grösse, der über die Diode fließt, fortlaufend Licht emittiert, daß weiterhin der Schaltbereich erste und zweite gesteuerte Siliziumgleichrichter aufweist, die entgegengesetzt gepolt parallel zueinander und zu den Ausgangsanschlüssen geschaltet sind, und daß der Schaltbererh ferner eine lichtempfindliche Einrichtung aufweist, die entsprechend dem Licht von
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der lichtemittierenden Diode die Leitfähigkeit der gesteuerten Siliziumgleichrichter steuert.
Insbesondere liegt die lichtemittierende Diode (LED) in Reihe mit der Konstantstromschaltung, um den durch diese fließenden Strom zu begrenzen. Die Konstantstromschaltung kann einen Gleichrichter aufweisen, so daß der angelegte Strom zum Anschalten der lichtemittierenden Diode (LED) entweder Wechselstrom oder Gleichstrom sein kann.
Licht oder eine andere elektromagnetische Strahlung wird von der lichtemittierenden Diode (LED) emittiert, sobald sie erregt wird; diese Strahlung wird an die lichtempfindliche Einrichtung übertragen, die eine Festkörpereinrichtung, beispielsweise ein Unijunction—Transistor sein kann. Letzterer kann zwischen die Steuerelektroden der beiden gesteuerten Silizium-Gleichrichter (SCR) geschaltet sein. Die Anoden und Kathoden der gesteuerten Silizium-Gleichrichter (SCR) sind mit den Ausgangsanschlüssen verbunden, die in Reihe mit einer Wechselstromquelle und mit einem Verbraucher geschaltet sind, durch den der mittels des Relais zu steuernde Strom fließt. Unmittelbar bei Erregung der lichtemittierenden Diode (LED) macht der lichtempfindliche Transistor die gesteuerten Silizium Gleichrichter (SCR) leitend und jedesmal wenn einer der siliziumgesteuerten Gleichrichter bezüglich des Wechselstrom von der Versorgungsquelle richtig polarisiert ist, wird dieser augenblicklich leitend und es kann Strom zu dem Verbraucher fließen. Wenn der Wechselstrom seine Polarität umkehrt, wird der andere gesteuerte Siliziumgleichrichter unmittelbar leitend und es fließt Strom zu dem Verbraucher.
Es ist auch möglich, ohne den lichtempfindlichen Unijunction-Transistor auszukommen; es werden flann durch Licht aktivierte, Gesteuerte Siliziumgleichrichter (LASCR) verwendet un d so angebracht, daß sie die Strahlung von der Licht emittierenden Diode (LED) unmittelbar aufnehmen.
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Die Erfindung wird im einzelnen anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig.l ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines elektronischen Festkörper-Relais gemäß der Erfindung; und
Fig.2 ein schematisches Schaltdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Festkörper-Relais gemäß der Erfindung.
Das in Fig.l dargestellte Relais weist einen Erregungsbereich Ii auf, der die Spule eines gewöhnlichen elektromagnetischen Relais ersetzt, und einen Schaltbereich 12 auf, der die einpoligen Ein-Ausschaltkontakte eines derartigen Relais ersetzt. Der Erregungsbereich besitzt Eingangsanschlüsse 13 und 14, an die eine Betriebsspannung, entweder Gleich- oder Wechselspannung angelegt werden kann. Bei Gleichspannungsbetrieb kann die Betriebsspannung von einer Quelle zugeführt werden, die eine Spannung zwischen ungefähr 3V und 200V liefert. Bei Wechselspannungsbetrieb kann die Betriebsspannung eine Amplitude zwischen ungefähr 3V und 140V und eine Frequenz bis zu ungefähr 8OkHz aufweisen. Diese Spannungs- und Frequenzwerte sind nur beispielsweise angegeben, um den großen Bereich der Betriebsparameter der Schaltungsausführung in Fig.l anzugeben und stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Die An Schlüsse 13 und Ik sind mit einer Gleichrichterschaltung 16 verbunden, obwohl bei einem Betrieb mit fester Frequenz oder Gleichspannung keine Gleichrichterschaltung erforderlich ist. Die Gleichrichterschaltung in der vorliegenden Ausführungs form ist ein Vollweg-Gleichrichter mit zwei Zener-Dioden 17 und 18 zur Begrenzung von Spannungsstoßen und mit zwei normalen Dioden 19 und 21, um an die Anschlüsse 13 und Ik angelegte Wechselspannungssignale in eine gleichgerichtete Spannung umzuwandeln.
Einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Relais betätigt wird, sobald die an den Eingangsanschlüssen angelegte Spannung einen Schwellenwert über-
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schreitet, der, wie sich hei praktisch ausgeführten Schaltungen herausgestellt hat, ungefähr hei 3V liegt. Üherdies ist das Relais nicht mehr betätigt, sobald die angelegte Spannung unter den Schwellenwert abfällt.
Die gleichgerichtete Ausgangsspannung an den Dioden 18 und 21 (oder 17 und 19) ist in Serie mit einer Impedanz 22 geschaltet, die in der vorliegenden Schaltung aus zwei Feldeffekt Transistoren 23 und 24 oder FET'en, wie sie gewöhnlich be zeichnet werden, und einer Licht emittierenden Diode (LED) 26 besteht. Jeder FET besitzt eine Kennlinie mit im wesentlichen konstanten Strom über einen verhältnismäßig großen Spannungsbereich; bei zwei gleichen, in Reihe geschalteten FET»en wird der gesamte Bereich etwa verdoppelt. Der Strom durch die FEt'en wird durch die Größe der Widerstände 20 und 25 gesteuert, die in Reihe mit den FET'en 23 und 24 geschaltet sind. Die FET'en können öntweder in Verstärkungs- öder in Sperrbetrieb betrieben werden. Bei einer Vergrößerung des Widerstandswerts der Widerstände 20 und 25 nimmt in dem zuerst erwähnten Fall der Strom durch die FET'en ab, während in dem zuletzt erwähnten Fall der Strom zunimmt. Die FET'en können auch mit Widerständen 20 und 25 verwendet werden, die ein Teil des Eigenwiderstands der Einrichtungen sind.
Der Schaltabschnitt 12 der Schaltung in Fig.l weist einen lichtempfindlichen FET 27 auf, der mit den Steuerelektroden von zwei gesteurten Siliziumgleichrichtern (SCR) 28 und 29 verbunden ist. Die gesteuerten Siliziumgleichrichter sind mit entgegengesetzter Polarität parallel zueinander zwischen ein Paar Ausgangsanschlüsse 31 und 32 geschaltet; ein Ver braucher 33 und eine Hauptstromquelle 34 sind an den Anschlüssen 31 und 32 angeschlossen. Eine Doppelanoden-Zenerdiode 36 ist als Schutzeinrichtung parallel zu den gesteuerten Siliziumgleichrichtern 28 und 29 geschaltet.
Beim Betrieb wird eine an die Anschlüsse 13 und 14 angelegte Betriebsspannung durch den Gleichrichter 16 gleichgerichtet,
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wenn es sich um eine Wechselspannung handelt, so daß die Verbindung zwischen den Dioden 17 und 18 und dem FET 23 in Bezug auf die Verbindung zwischen den Dioden 19 und 21 und der Licht emittierenden Diode (LED) 26 positiv ist. Wenn die Betriebs spannung eine Gleichspannung ist, muß diese so angelegt werden, daß die Verbindung zwischen den Dioden 17 und 18 in Bezug auf die Verbindung zwischen den Dioden 19 und 21 und der Licht emittierenden Diode (LED) 26 positiv ist. Die Amplitude einer Gleichspannung sollte konstant gehalten werden, während sich die augenblickliche Amplitude einer gleichgerichteten Wechselspannung ständig ändert. In jedem Fall fließt wegen der FET'en 23 und 2k ein im wesentlichen konstanter Strom über die licht emittierende Diode 26.
Der durch die Licht emittierende Diode 26 fließende Strom bewirkt, daß Licht oder zumindest elektromagnetische Wellenenergie von der Licht emittierenden Diode ausgestrahlt wird. Die Licht emittierende Diode 26 spricht sehr schnell an und die Lichtemission beginnt, sobald Spannung an die Anschlüsse 13 und Ik angelegt wird. Diese Emission, die durch den gewellten Pfeil 37 angezeigt ist, trifft auf die lihtempfindliche Steuerelektrode des lichtempfindlichen FET's 27 auf und macht diesen zwischen dessen Quellen- und Senkenelektroden leitend. Hierdurch werden die Steuerelektroden der ge steurten Siliziumgleichrichter 28 und 29 unmittelbar miteinander verbunden und sie befinden sich dementsprechend in leitendem Zustand, sobald die Spannung der Quelle 3k, die an den Anschlüssen 31 und 32 angelegt ist, mit der richtigen Polarität anliegt. Für die eine Hälfte jeder Periode der Wechselspannung der Quelle 3k wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter 28 leitend, während für die andere Halbperiode der Wechselspannung der gesteuerte Siliziumgleichrichter 29 leitend wird.
Wegen des augenblicklichen Ansprechend der Licht emittierenden Diode 26 tritt tatsächlich keine Verzögerung zwischen dem Anlegen der Betriebsspannung an den Ansdilüssen 13 und Ik und
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dem Schließen der Schaltung über den Verbraucher 33 auf. Wenn daher das durch die Licht emittierende Diode 26 ausgestrahlte Licht kontinuierlich ist, und nicht die Form von Impulsen aufweist, ergibt sich kein Verlust an Leitfähig keit zu Beginn jeder Heizperiode der Wechselspannung der Quelle 3^. Die doppelseitige Zener-Diode 36 ist dann ein Schalter, der als KurzSchlußschaltung parallel zu den ge steuerten Siliziumgleichrichtern 28 und 29 wirkt, wenn die maximale Spannung der Quelle 34 einen vorbestimmten Wert übersteigt.
In Fig.2 ist eine Abänderung des Relais dargestellt, das viele gleiche Teile wie das in Fig.i dargestellte Relais aufweist. Diese Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Statt eines einzigen lichtempfindlichen FET in Fig.i weist die in Fig.2 dargestellte Schaltung zwei durch Licht aktivierte, gesteuerte Siliziumgleichrichter 38 und 39 auf.
Der Betrieb des Erregungsbereichs des Relais in Fig.2 von den Eingangsanschlüssen 13 und Ik bis zu der Licht emit tierenden Diode 26 ist derselbe wie die bei dem Relais in Fig.i. Sobald eine Spannung mit der richtigen Amplitude (und der richtigen Polarität, wenn eine Gleichspannung anliegt) an den Anschlüssen 13 und Ik angelegt ist, emittiert die Licht emittierende Diode 26 eine Strahlung , was durch die gewellten Pfeile kl und k2 angezeigt ist. Die emittierte Strahlung trifft auf die lichtempfindliche Steuerelektrode der mit Licht aktivierbaren, gesteuerten Siliziumgleichrichter 38 und 39 auf und versetzt die Festkörperelemente in einen Zustand, in dem sie leitend sind, sobald eine Spannung mit der richtigen Polarität von der Quelle ^k an den entsprechenden Anoden- und Kathodenelektroden angelegt ist. Wie bei dem Relais in Fig.i emittiert die Licht emittierende Diode 26 eine kontinuierliche Strahlung und nicht eine Strahlung in Form von Impulsen;dies bedeutet, daß keine Verzögerung in der Leitfähigkeit der zugeordneten, durch Licht
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aktivierten, gesteuerten Siliziumgleichrichter 38 und 39 auftritt, wenn die von der Quelle 34 angelegte Wechselspannung ihre Polarität ändert.
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Claims (3)

  1. Patentansprüche
    I Elektronisches Pestkörper-Relais mit einem in Reihe mit zwei Eingangsanschlüssen geschalteten Erregungsbereich und mit einem in Reihe mit zwei Ausgangsanschlüssen geschalteten Schaltbereich, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Erregungsbereich eine Konstantstromschaltung aufweist, die an die Eingangsanschlüsse angekoppelt ist und
    eine Licht emittierende Diode aufweist, die bei einem Strom vorbestimmter Polarität und Amplitude, der durch die Diode fließt, kontinuierlich Licht emittiert, daß ferner der
    Schaltbereich erste und zweite, gesteuerte Siliziumgleichrichter aufweist, die mit entgegengesetzter Polarität
    parallel zueinander und zu den beiden Ausgangsansdi lüssen
    geschaltet sind, und daß weiterhin der Schaltbereich eine
    lichtempfindliche Einrichtung aufweist, die entsprechend
    dem Licht von der Licht emittierenden Diode die Leitfähigkeit der gesteuerten Siliziumgleichrichter steuert.
  2. 2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Siliziumgleichrichter mit Licht aktivierbare Gleichrichter mit lichtempfindlichen Steuer elektroden sind, die als lichtempfindliche Einrichtung des Schaltbereichs dienen.
  3. 3. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Einrichtung des Schaltbereichs einen Feldeffekt-Transistor mit Quellen- und Senkenelektroden und einer lichtempfindlichen Steuerelektrode aufweist, wobei die Quellenelektrode mit der Steuerelektrode
    des ersten gesteuerten Siliziumgleichrichters und die Senkenelektrode mit der Steuerelektrode des zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichters verbunden ist.
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