DE2349153A1

DE2349153A1 - Schaltrelais fuer nullspannung

Info

Publication number: DE2349153A1
Application number: DE19732349153
Authority: DE
Inventors: Richard Wallace Fox; Sebald Robert Korn; Iii William Herbert Sahm
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-10-02
Filing date: 1973-09-29
Publication date: 1974-04-18
Also published as: IT993469B; JPS4994261A; FR2201588A1; US3816763A; FR2201588B3

Description

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Festkörperrelais oder
einen gesteuerten Schalter zur Verbindung einer Wechselstromquelle mit einem Verbraucher. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schalteranordnung unter Verwendung einer Photonenkopplung zwischen einem Steuerteil und einem den Verbraucherstrom führenden
Teil, wobei die Durchschaltung bei oder in der Nähe der Momentanamplitude Null der Quellenwechselspannungswelle für den Verbraucherstrom erzielt wird. Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise in den Situationen angewendet werden, wo eine Umschaltung bei der Spannung Null erwünscht ist und wo eine vollständige und dauernde elektrische Isolation zwischen einem Steuersignaleingang für
niedrige Leistung und einem Ausgang mit relativ hoher Leistung
den geschalteten Strom erwünscht ist.

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Im Stand der Technik sind verschiedene Versuche unternommen worden, um elektronische Schaltungen als Ersatz für das konventionelle elektromechanische Relais zu verwenden. Im allgemeinen besitzen diese Schaltungsanordnungen nicht die Fähigkeit, den Fluß des Wechselstroms in dem exakten Augenblick auszulösen oder zu beenden, in dem die Momentanamplitude der zugeführten Wechselspannung gleich oder nahezu Null ist. Die vorbekannten elektronischen Schaltungen, welche eine Umschaltung bei der Spannung Null erreicht haben, benötigten im allgemeinen Energiespeicherbauteile, wie beispielsweise Kondensatoren, und Induktivitäten für die Lieferung von Umschaltenergie, wenn die zugeführte Wechselspannung gleich oder nahezu Null ist. Diese erforderlichen Energiespeicherkomponenten haben zu komplizierten Schaltungsanordnungen geführt. Weiterhin haben diese Energiespeicherkomponenten die erwünschte Integration der Schaltung verhindert. Weiterhin ergaben die vorbekannten elektronischen Schaltungen infolge der elektrischen gegenseitigen Verbindung dieser beiden Teile keine vollständige elektrische Isolation zwischen dem Eingangsteil für das Steuersignal und dem Ausgangsteil, welcher den Iaätstrom führt.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die vorstehenden Probleme dadurch, daß ein Festkörperschaltrelais für die Spannung Null geschaffen wird, welches keinerlei Energiespeicherkomponenten erfordert und bequem zu einer kompakten, vollständig aus Festkörperteilen bestehenden Schaltung integrierbar ist. Dabei wird eine Photonenkopplung verwendet, um eine vollständige elektrische Isolation zwischen dem Steuerteil und dem Teil der Schaltung zu bewirken, welcher den Laststrom führt, und um eine Schaltfähigkeit in dem Zeitpunkt zu schaffen, wenn die Momentanamplitude der Versorgungsspannung für den Lastwechselstrom bei oder in der Nähe des Wertes Null ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Festkörperrelais einen Photonenerzeuger, beispielsweise eine lichtaussendende Diode (LED), Der Photonenerzeuger ist zwischen zwei Eingangsanschlüssen für das Steuersignal geschaltet und ist so ein-

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gerichtet, daß er bei Zufuhr elektrischer Energie Photonen oder Licht aussendet. Ein Teil der Schaltung für den Verbraucherstrom enthält mindestens einendurch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung, beispielsweise eine durch Licht aktivierten gesteuerten Siliziumgleichrichter (LASCR). Zwei den Hauptstrom führende Elektroden der durch Photonen aktivierten Sehaltereinrichtungen sind mit zwei Verbraucherstromanschlüssen verbunden zum Durchlaß des Wechselstroms zwischen diesen Anschlüssen.

Die Schaltempfindlichkeit der durch Photonen aktivierten Schaltereinrichtungen wird reziprok bezüglich der Menge des an seiner Gitterelektrode entnommenen und durch Photonen erzeugten Stroms variiert. Eine Einrichtung zur Steuerung des Gitterelektrodenstroms, welche beispielsweise eine variable Impedanzeinrichtung oder einen Transistor beinhalten kann, steuert den von der Gitterelektrode entnommenen Strom. Um eine Umschaltung bei oder in der Nähe des Nullpunktes des Momentanwertes der Spannung zwischen den Anschlüssen für den Verbraucherstrom oder Laststrom zu schaffen, ist eine Vorspannungssignalerzeugereinrichtung mit den Laststromanschlüssen verbunden und liefert ein Steuersignal an die Einrichtung zur Steuerung des Gitterelektrodenstroms. Die Vorspannungssignalerzeugereinrichtung und die Einrichtung zur Steuerung des Gitterelektrodenstroms ändern dadurch die Umschaltempfindlichkeit der durch Photonen aktivierten Schaltereinrichtung, um auf diese Weise die erwünschte Umschaltung bei der Spannung Null zu schaffen.

Wenn die Momentanamplitude der Spannung zwischen den Verbraucherstromanschlüssen bei oder in der Nähe des Wertes Null liegt, liefert die Vorspannungssignalerzeugereinrichtung ein unzureichendes Vorspannungssignal an die Einrichtung zur Steuerung des Gitterelektrodenstroms, und es wird nicht ein bedeutungsvoller Teil des durch Photonen erzeugten Stroms von der Gitterelektrode entnommen oder abgezogen. Unter diesen Verhältnissen ist die durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung am empfindlichsten für das

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Triggern durch Photonen. Wenn eine ausreichende Spannung zwischen den Verbröucherstromanschlüssen vorhanden ist, dann liefert die Einrichtung zur Erzeugung des Vorspannungssignals ein ausreichendes Signal zur Überwindung des Schwellwertes für den Betrieb der Einrichtung zur Steuerung des Gitterelektrodenstroms und jeglicher durch Photonen erzeugter Strom wird wirksam von der Gitterelektrode abgeführt. Als Ergebnis wird die durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung dann unempfindlich gemacht für die Triggerung durch diejenigen Photonen, welche von dem Photonenerzeuger abgegeben werden. Daher ist die Umschaltempfindlichkeit des Festkörperrelais am größten, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen für den Verbraucherstrom am kleinsten ist.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die Verbindung des Festkörperrelais mit einem Hochstromschalter, wie beispielsweise einem Triodenthyristor für zwei Durchlaßrichtungen oder zwei parallel invers geschalteten SCR^Ts (gesteuerte Siliziumgleichrichter) , um auf diese Weise eine Möglichkeit zur Umschaltung von Wechselströmen vor Amplitude bei oder in der Nähe der Amplitude Null für die Versorgungswechselspannung für den Verbraucherstrom zu erhalten.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung von AusfUhrungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Die Fig. 1 ist ein Schaltbild für ein Festkörperumschaltrelais für die Spannung Null.als Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 2 zeigt ein Schaltbild für eine alternative Ausführungsform.

Die Figur 3 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, welche besonders geeignet ist für das Umschalten relativ großer Ströme.

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Die Figur 4 ist eine andere Form der Schaltung gemäß Fig. 3.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des Festkörperumschaltrelais für die Spannung Null. Im allgemeinen besitzt das Relais einen Steuerteil IO und einen Verbraucherstrom führenden Teil 11. Der Verbraucherstrom, welcher von einer Wechselspannungsquelle 16 einem Verbraucher 17 zugeführt wird» wird zwischen einem Paar von Laststromanschlüssen 14 und 15 durchgelassen, wenn der Steuerteil 10 bewirkt, daß der Teil 11 für den Laststrom stromdurchlässig wird. Der Steuerteil 10 ist vollständig elektrisch isoliert von dem Laststrom führenden.Teil 11 infolge des Fehlens irgendeiner elektrischen Verbindung zwischen diesen beiden Teilen.

Das Festkörperrelais besitzt die Fähigkeit zur Auslösung oder Beendigung des Fließens eines Wechselstroms durch die Leistungsanschlüsse 14 und 15, wenn die momentane Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 14 und 15 gleich oder in der Nähe von Null ist. Der Ausdruck "Spannung Null oder Nullspannung'¹ in Verbindung mit der Fähigkeit zum Durchlassen von Strom durch die Lastanschlüsse wird allgemein verwendet zur Bezeichnung des Potentialbereiches in der Nähe von Null, beispielsweise von Null bis 5 Volt.

Auch wenn hier bei dem Zustand der Spannung Null keine bedeutungsvolle elektrische Leistung durch die Wechselspannungsquelle 16 an dem Teil 11 für den Laststrom geliefert wird, ergibt die Photonenenergie, welche von dem Steuerteil 10 übermittelt wird, zu diesem Augenblick oder Zeitpunkt eine Umschaltfähigkeit in dem Teil 11 für den Laststrom.

Der Ausdruck "Photonen" wird in dieser Beschreibung in der an sich bekannten Bedeutung verwendet und bezeichnet eine Menge elektromagnetischer Strahlung. Da Licht eine elektromagnetische Strahlung ist, ist es in dieser Definition mit enthalten.

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In dem Steuerteil 10 wird ein elektrisches Steuersignal einem Paar von Steuersignaleingangsanschlüssen 12 und 13 zugeführt. Ein Stromsteuerteil 18 steuert die Amplitude und Richtung des Stroms, welcher einem Photonengenerator, beispielsweise einer lichtaussendenden Diode (LED) 2O₇ zugeführt wird. Wahlweise kann eine Diode 19 invers parallel mit der LED 20 geschaltet werden, um die LED 20 vor Vorspannungen in umgekehrter Richtung zu schützen.

In dem Teil 11 für den Laststrom ist eine Diodenbrücke oder eine andere geeignete Einrichtung zur Gleichrichtung eines an den Anschlüssen 14 und 15 für den Laststrom zugeführten Wechselstroms vorgesehen und erzeugt einen Gleichstrom mit einer Spannung, welche eine Funktion des Absolutwertes der Wechselspannung ist, die an den Laststromanschlüssen 14 und 15 zugeführt wird. Die Diodenbrücke umfaßt die Dioden 21, 22 und 23, die in an sich bekannter Weise zur Bildung einer Vollwegdiodenbrücke verschaltet sind. Die Eingangsanschlüsse 25 und 26 zur Diodenbrücke sind mit den Laststromanschlüssen 14 bzw. 15 verbunden. Der Gleichstromausgang der Diodenbrücke erscheint auf einem positiven Gleichstromleiter 27 und einem negativen Gleichstromleiter 28.

Eine durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung, beispielsweise ein durch Licht aktivierter gesteuerter Siliziumgleichrichter (LASCR) 30, schaltet den gleichgerichteten Laststrom zwischen den Gleichstromleitern 27 und 28. Die Triggerenergie für den LASCR wird durch Photonen geliefert, welche von dem LED 20 abgestrahlt werden. Eine Anodenelektrode 31 und eine Kathodenelektrode 32 des LASCR 30 bilden dessen Hauptstrom führende Elektroden und sind über die Vollwegdiodenbrücke mit den Laststromanschlüssen 14 und 15 verbunden.

Ein LASCR ist in charakteristischer Weise weniger empfindlich für eine Triggerung, wenn die Auswirkung des von den eingestrahlten Photonen erzeugten Stroms vermindert wird. Die Photonen er-

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inen Strom im Gitterbereich des LASCR und wenn dieser Strom vom Gitterbereich abgezogen wird, dann ist der LASCR weniger empfindlich für eine Umschaltung. Die Beziehung zwischen dem von dem Gitter abgezogenen, durch Photonen erzeugten Strom und der Umschaltempfindlichkeit besteht darin, daß ein stärkeres Abziehen des von den Photonen erzeugten Stroms eine geringere Umschaltempfindlichkeit erzeugt. Daher wird die Photonenempfindlichkeit des LASCR proportional zu der Menge des Stroms vermindert, welcher durch die Gitterelektrode 33 fließt.

Die Umschaltempfindlichkeit des LASCR 30 wird gesteuert durch eine Einrichtung zur Steuerung des Stromflusses der Gitterelektrode. Diese enthält eine auf ein Vorspannungssignal ansprechende variable Impedanzeinrichtung, beispielsweise einen NPN-Transistor 35. Der NPN-Transistor 35 ist in Reihe mit der Gitterelektrode 33 des LASCR geschaltet durch Verbindung der Kollektorelektrode 36 des NPN-Transistors mit der Gitterelektrode 33. Eine Emitterelektrode 37 ist mit einer Kathodenelektrode 32 des LASCR 30 verbunden. Die Vorspannungssignale werden über eine Basiselektrode 38 des Transistors 35 eingespeist. Der NPN-Transistor steuert die Menge des Stroms, welcher von der Gitterelektrode 33 des LASCR 30 fließt und steuert dadurch seine Umschaltern—pfindlichkeit.

Gewünschtenfalls kann ein Widerstand 33a vorgesehen werden, um eine hohe Impedanz zwischen der Gitterelektrode 33 und der Kathodenelektrode 32 des LASCR 30 zu erhalten. Der Widerstand 33a vermindert die Empfindlichkeit des LASCR 30 bezüglich der Auswirkung zeitlicher Spannungsänderungen dv/dt und bezüglich Leckströmen und erhält gleichzeitig die erwünschte Photonenempfindlichkeit für rf«-" TASCR 30 aufrecht.

Aus einer Vorspännungssignalerzeugereinrichtung wird ein Vorspannungssignal erhalten. Dieses umfaßt gemäß Fig. 1 zwei Widerstände und 41. Die Vorspannungssignalerzeugereinrichtung, welche mit den Gleichstroraleitern 27 und 28 verbunden ist, ist elektrisch über die Diodenbrücke mit den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 ver-

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bunden. Die Basiselektrode 38 des Transistors 35 ist elektrisch mit einem Signalverzweigungspunkt 42 der Vorspannungssignalerzeugereinrichtung verbunden.

Die Amplitude des Vorspannungssignals am Signalverzweigungspunkt 42 ist proportional dem Wert der momentanen Spannungsdifferenz zwischen den Leitern 27 und 28 und dem Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 40 und 41. Wie bereits angedeutet, ist die Spannung zwischen den Leitern 27 und 28 eine Gleichspannung, deren Amplitude dem Absolutwert der Wechselspannung an den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 nachfolgt. Ein gewisser Schwellwert muß von dem Vorspannungssignal überschritten werden, bevor der Transistor 35 stromdurchlässig wird, um eine Ableitung des Stroms von der Gitterelektrode 33 des LASCR 30 auszulösen. Die Änderung des Verhältnisses der Widerstände 40 und 41 verändert die Amplitude des Vorspannungssignals relativ zur Spannung zwischen den Leitern 27 und 28. Dieses Widerstandsverhältnis bestimmt den Durchlaßschwellwert des Transistors 35 relativ zur momentanen Wechselspannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 14 und 15, da die Gleichspannung zwischen den Leitern 27 und 28 dem Absolutwert dieser Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 14 und 15 nachfolgt.

Das Festkörperrelais gemäß Fig. 1 und der vorstehenden Beschreibung arbeitet auf die nachfolgende Weise. Wenn an den Steuersignaleingangsanschlüssen 12 und 13 ein elektrisches Steuersignal zugeführt wird, bewirkt es eine Abstrahlung von Photonen durch den LED 20. Die Photonen vom LED 20 werden auf den LASCR 30 gekoppelt. In dem Augenblick, in dem die Spannungsdifferenz zwischen den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 gleich oder nahezu Null ist, ist die Gleichspannungsdifferenz zwischen den Leitern 27 und 28 ebenfalls gleich oder nahezu Null. Das Vorspannungssignal, welches an Signalverzweigungspunkt 42 der Vorspannungssignalgeneratoreinrichtung erzeugt wird, ist gleich oder

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nahezu Null und ist nicht ausreichend, um den Transistor 35 dazu zu veranlassen, einen stromdurchlässigen Zustand einzunehmen. In einem gesperrten Zustand bildet der Transistor 35 im wesentlichen eine unendlich große Impedanz parallel zur Impedanz des Widerstandes 33a und dies erzeugt einen Leitungsweg mit hoher Impedanz für den durch Photonen erzeugten Strom, welcher aus der Gitterelektrode 33 des LASCR fließt. Wie bereits erörtert,ist der LASCR am empfindlichsten für eine Umschaltung,wenn wenig Strom aus der Gitterelektrode fließt und die Photonen, welche von dem LED 20 abgestrahlt werden, triggern den LASCR 30. Der LASCR 30 läßt Strom von seiner Anodenelektrode 31 zu seiner Kathodenelektrode 32 jedesmal dann durch, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen den Leitern 27 und 28 erscheint. Infolge der Wirkung der Diodenbrücke wird eine Spannungsdifferenz zwischen den Leitern 27 und 28 jedesmal dann aufgebaut, wenn die Differenz der momentanen Wechselspannung zwischen den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 nicht gleich Null ist.

Wenn jedoch nicht genug Photonen erzeugt werden, um den LASCR bei oder in der Nähe der Spannung Null am Verbraucherstromanschluß zu triggern, dann erhöht sich die Spannungsdifferenz zwischen den VerbraucherstromanschlUssen 14 und 15 und es wird eine Spannungsdifferenz zwischen den Verbrauchern 27 und 28 erreicht, welche infolge des Verhältnisses der Widerstände 40 und 41 ein Vorspannungssignal erzeugt, das ausreichend ist, um den Durchlaßschwellwert des Transistors 35 zu überwinden. Der Transistor 35 nimmt einen stromdurchlässigen Zustand ein und der durch die Photonen erzeugte Strom wird von der Gitterelektrode 33 des LASCR 33 abgezogen und die Empfindlichkeit des LASCR 3O so vermindert, daß eine Triggerung bis zu dem nächsten Moment gehemmt wird, injdem die» Spannungsdifferenz zwischen den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 gleich oder nahezu Null ist.

Der vorstehende Vorgang wiederholt sich in jeder Halbperiode der Wechselspannung zwischen den Verbraucherstromanschlüssen 14 und ta.

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Die Beschreibung des Umschaltrelais für Nullspannung der Fig. 1 veranschaulicht die Fähigkeit des ReIa is, Strom bei dem Zustand Null Volt für die Laststromversorgung durchzulassen, seine Möglichkeit zur Integrierung als kompakte vollständig in Festkörperbauweise aufgebauter Halbleitereinrichtung und seine inhärente vollständige elektrische Isolation zwischen den Teilen für die Steuerung und für die Stromführung.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Festkörperrelais. Diese Ausführungsform beseitigt die Notwendigkeit der Diodenbrükke und erhöht die Fähigkeit des Relais zur Umschaltung von Leistung, da mehr als eine durch Photonen aktivierte Umschalteinrichtung vorgesehen ist, um den Laststrom zu führen.

Ein alternativer Steuerteil 45 gemäß Fig. 2 entspricht dem Steuerteil 10 in Fig. 1 und besitzt Steuersignaleingangsanschlüsse 12 und 13, mit denen die beiden LED's 46 und 47 invers parallel geschaltet sind. Der Steuerteil 45 kann verwendet werden ohne Berücksichtigung der Polarität des Eingangssignals, da von einem der beiden LED's 46 oder 47 in Abhängigkeit von der Polarität der Eingangsspannung Photonen erzeugt werden. Der alternative Steuerteil 45 nach Fig. 2 kann austauschbar für den Steuerteil der Fig. 1 verwendet werden.

In dem stromführenden Teil FO nach Fig. 2 sind zwei durch Photonen aktivierte Umschalteinrichtungen oder LASCR 51 und 52 invers parallel geschaltet mit Hilfe von Anode und Kathode, welche die hauptstromfUhrenden Elektroden bilden. Diese parallel inverse Beziehung gestattet, daß in jeder Halbperiode des Wechselstroms zwischen den Laststromanschlüssen 14 und 15 ein LASCR Strom durchläßt. Wenn ein LASCR Strom durchläßt ist der andere LASCR gesperrt, da er in der umgekehrten Richtung vorgespannt ist. Beide LASCR¹S 50 und 52 besitzen charakteristischerweise eine Photonen-

empfindlichkeit proportional zu dem von der Gitterelektrode jedes LASCR abgezogenen Strom.

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Jedem der LASCR 1st eine Einrichtung zur Steuerung seines Gitterelektrodenstromflusses zugeordnet. Eine variable Impedanzeinrichtung oder ein NPN-Transistor 53, welcher auf ein Vorspannungssignal anspricht, ist dadurch dem LASCR 51 zugeordnet, daß sie in Reihe mit der Gitterelektrode des LASCR 51 liegt. In ähnlicher Weise ist eine variable Impedanzeinrichtung oder NPN-Transistor 54, welche auf das Vorspannungssignal anspricht, dem LASCR 52 dadurch angeordnet, daß sie in Reihe mit der Gitterelektrode des LASCR 52 liegt. Beide Einrichtungen zur Steuerung des Gitterelektrodenstroraflusses in Fig. 2 sind in jeder Beziehung ähnlich der Schaltung und Funktion des Transistors 35, welcher in der Anordnung nach Fig. 1 den LASCR 30 zugeordnet ist. Die Widerstände 51a und 52a sind bezüglich ihrer Schaltung und Funktion ähnlich dem Widerstand 33a in Fig. 1.

Eine Vorspannungssignalerzeugereinrichtung umfaßt Widerstände 55, 56 und 57 und ist zwischen die VerbraucherstromarBchlüsse 14 und 15 geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 56 und 57 ist ein erster Signalverzweigungspunkt 58, welcher ein Vorspannungssignal an die Basiselektrode des NPN-Transistors 53 liefert. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 55 und 56 ist ein zweiter Signalverzweigungspunkt 59, welcher in ähnlicher Weise ein Vorspannungssignal an die Basiselektrode des NPN-Tißπ«r·fors 54 liefert.

Ähnlich der 1« Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Situation können die.Verhältnisse der Widerstände 55, 56 und 57 geändert werden, um die Amplitude der Vorspannungssignale zu ändern, welche an den Signalverzweigungspunkten 58 und 59 vorhanden sind. Die Amplitude der Vorspannungssignale stellt den Schwellwert für den Stromdurchlaß für die Transistoren 53 und 54 ein und ergibt eine variable UrschaItempfindlichkeit für jeden LASCR 51 bzw. 52, welche den Transistoren 53 bzw. 54 zugeordnet sind.

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Emitter-Die Dioden 61 bzw. 62 sind die zwischen die Basis und den/elektroden der Transistoren 54 bzw. 53 geschaltet, um einen Emitter-Dioden-Lawinendurchbruch zu verhindern.

Die invers parallele Verbindung der LASCR*s 51 und 52 und ihrer zugeordneten Transistoren 53 und 54 gestattet während ,jeder Halbperiode der Wechselspannung nur für einen LASCR und Transistor den Stromdurchlaß. Wenn ein LASCR und sein zugeordneter Transistor Strom durchlassen, sind der andere LASCR und der zugeordnete Transistor in Gegenrichtung vorgespannt und gesperrt. Nur dasjenige Vorspannungssignal, welches von dem in Vorwärtsrichtung vorgespannten Transistor empfangen wird, bewirkt einen Stromdurchlaß an diesem Transistor. Das Vorspannungssignal, welches auf den anderen Transistor gegeben wird, besitzt keine Auswirkung, da dieser Transistor in Gegenrichtung vorgespannt ist. Daher hält die Vorspannungssignalerzeugungseinrichtung lediglich den in Vorwärtsrichtung vorgespannten Transistor in einem Stromdurchlaßzustand. Wenn beispielsweise eine hinreichend größere Spannung am Verbraucherstromanschluß 14 vorhanden ist als am Verbraucherstromanschluß 15, dann werden der LASCR 51 und der Transistor 53 Strom durchlassen. Der LASCR 52 und der Transistor 54 sind in Gegenrichtung vorgespannt und können keinen Strom durchlassen. Das Vorspannungssignal an dem ersten SignalVerzweigungspunkt 58 bewirkt,, daß der Transistor 53 einen stromdurchlässigen Zustand einnimmt. Dagegen "besitzt ein Vorspannungssignal am zweiten Verzweigungspunkt 59 keine Auswirkung auf den in Gegenrichtung vorgespannten Transistor 54.

Das Festkörperrelais nach Fig. 2 arbeitet auf die folgende Weise. Es sei angenommen, daß die momentane Wechselspannung zwischen den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 Null ist. Infolge der Spannungsdifferenz Null zwischen Kathode und Anode der LASCR*s 51 und 52 läßt keiner der beiden LASCR*s Strom durch. Da einer der beiden LED·s 46 und 47 Photonen liefert, welche für das Triggern der LASCR*s erforderlich sind, beginnt der LASCR 51 Strom zwischen

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den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15 durchzulassen mit der Zuführung einer positiven Halbperiode der Wechselspannung durch die Wechselspannungsquelle 16 und mit dem Erscheinen einer grösseren Spannung am Anschluß 14 als am Anschluß 15 und läßt Strom während der positiven Halbperiode des Wechselstroms durch. Die Photonen, welche auf den LASCR 52 auftreffen, besitzen keine Auswirkung, da dieser in Gegenrichtung vorgespannt ist.

Wenn ungenügende Photonen zur Triggerung der LASCR erzeugt werden, die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 14 und ansteigt und das an dem ersten Signalverzweigungspunkt 58 der Vorspannungssignalerzeugungseinrichtung vorhandene Vorspannungssignal einen Wert erreicht, welcher ausreichend ist zum Übersteigen des Schwellwertes für den Stromdurchlaß des Transistors und als Ergebnis der Transistor 53 einschaltet und den von den Photonen erzeugten Strom von der Gitterelektrode des LASCR 51 ableitet, wird hierdurch die Empfindlichkeit für die Triggerung so vermindert, daß die Triggerung mindestens bis zur nächsten Halbperiode der Versorgungswechselspannung gehemmt wird. Während der negativen Halbperiode, wenn die Spannung am Anschluß größer ist als am Anschluß 14, wird der LASCR 52 durch die Photonen zum Stromdurchlaß getriggert und die negative Halbperiode des Wechselstroms wird durchgelassen. Wenn der LASCR 52 nicht getriggert wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 14 und 15 eine ausreichende Amplitude erreichen, so daß das Vorspannungssignal an dem zweiten Signalverzweigungspunkt 59 den Schwellwert für den Stromdurchlaß am Transistor übersteigt. Das hierdurch erzeugende Einschalten des Transistors 54 vermindert die Photonenempfindlichkeit des LASCR 52 so, daß die Triggerung gehemmt wird bis zu dem nächsten Augenblick, in dem die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen Null ist. Der LASCR 51 und der Transistor 53 sind in Gegenrichtung vorgespannt und gesperrt, so daß das Vorspannuηgssignal an dem ersten Signalverzweigungspunkt keine Auswirkung besitzt.

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Das Relais der Fig. 2 arbeitet dsher in der beschriebenen Weise zum Durchlaß von Wechselstrom zwischen den Verbraucherstromanschlüssen 14 und 15.

Jedes der beiden zuvor beschriebenen Festkörperrelais kann mit jedem der Hochstromschalter gemäß Fig. 3 oder 4 kombiniert werden, um die Möglichkeit zum Umschalten eines relativ hohen Wechselstroms zu schaffen. Der Ausdruck "relativ hoher Strom" soll dabei nicht auf eine bestimmte untere Stromstärke beschränkt werden; er wird nur allgemein verwendet zur Bezeichnung einer Stromstärke, welche die zulässige Strombelastbarkeit der Relais gemäß der Beschreibung im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 übersteigt.

Die Schalter für hohe Stromstärke gemäß Fig. 3 und 4 sind vorgesehen zur Verwendung mit jedem der beiden Umschaltrelais für Null Volt gemäß der Darstellung in den Fig. 1 oder 2. Die Hochstromschalter sind mit dem Umschaltrelais für die Spannung Null, welche in den Fig. 3 und 4 allgemein mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet sind, an den Laststromanschlüssen 14 und 15 verbunden. Die Wechselspannungsquelle 16 und die Last oder der Verbraucher sind in diesem Falle mit einem Paar von Hochstromanschlüssen 62 und 63 verbunden.

In Fig. 3 besteht der Hochstromschalter aus den SCR's 70 und 74 und schaltet relativ hohe Ströme zwischen den Hochstromanschlüssen 62 und 63. Eine Kathodenelektrode 72 des SCR 70 und eine Anodenelektrode 75 des SCR 74 sind mit dem Hochstromanschluß 62 verbunden und eine Anodenelektrode 71 des SCR 70 und eine Kathode;? elektrode 76 des SCR 74 sind mit dem anderen Hochstromanschluß 63 verbunden. Durch diese Anordnung sind die SCR's 70 und 74 parallel invers geschaltet und lassen daher Halbperiodcndes Wechselstroms durch. Der Wechselstrom wird auf die Laststromanschlüsse 14 und 15 des Relais 60 durch Widerstände 64 und 68/wahlweise Widerstände 65 und 67 gekoppelt. Die Widerstände 65 und 67 beschränken die Leistung, welche dem Relais 60 zugeführt wird. Die Widerstände 64

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und 68 liefern eine elektrische Versorgungsspannung für den Laststrom führenden Teil des Relais 60. Eine Gitterelektrode 73 des SCR 70 ist mit dem Verbindungspunkt 66 zwischen den Widerständen 64 und 65 verschaltet und dadurch ist eine elektrische Verbindung zwischen der Gitterelektrode 73 und dem Hochstromanschluß 62 hergestellt. In ähnlicher Weise ist eine Gitterelektrode 77 des SCR 74 elektrisch mit dem anderen Hochstromanschluß 63 verbunden durch Anschalten an den Verzweigungspunkt 69 zwischen den Widerständen 67 und 68I Die Diode 78 besitzt eine Anode 79, welche mit dem Verbindungspunkt 66 verschaltet ist und verhindert eine Beschädigung am Gitter-Kathoden-Ubergangsbereich des SCR 70 durch Vorspannung in umgekehrter Richtung, wenn der Momentanwert der Wechselspannung am Hochstromanschluß 62 größer ist als der Wert am Hochstromanschluß 63. In ähnlicher Weise ist eine Diode mit einer Anode 82 mit dem Hochstromanschluß 63 und einer Kathode mit dem Verzweigungspunkt 69 verbunden und verhindert eine Beschädigung am SCR 74, wenn der Momentanwert der letzten Spannung am Hochstromanschluß 63 größer ist als der Wert am Hochstromanschluß 62.

Ein wahlweises Hemmungsnetzwerk (snubber network) enthält eine Reihenschaltung von Widerstand und Kapazität und umfaßt einen Widerstand 84 und einen Kondensator 85. Es ist zwischen die Hochstromanschlüsse 62 und 63 geschaltet. Die Funktion eines solchen Hemmungsnetzwerkes ist an sich bekannt und besteht darin, eine unbeabsichtigte Triggerung der SCR*s 70 und 74 zu verhindern. Obwohl dieses Hemmungsnetzwerk in Fig. 3 als Teil des Hochstromschalters gezeigt ist, kann das Hemmungsnetzwerk außerhalb angeordnet und mit dem Hochstromanschlüssen 62 und 63 verbunden wer-

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den, wenn es erwünscht ist, den Hochstromschalter in integrierter Bauweise auszuführen.

Der Hochstromschalter schaltet den Strom zwischen' den Hochstromanschlüssen 62 und 63 unmittelbar gemäß dem Stromfluß zwischen den Laststrowinechlüssen 14 und 15 des Relais 60. Wenn der Anschluß 62 eine größere Spannung besitzt als der Anschluß 63 und

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das Relais 60 umschaltet, wird ein Stromfluß von dem Laststromanschluß 14 zu dem Laststromanschluß 15 eingestellt. Der Strom fließt durch die Widerstände 67 und 68 und die Spannung am Verbindungspunkt 69 steigt an und triggert den SCR 74. Er leitet den relativ starken Strom von dem Hochstromanschluß 62 zum Hochstromanschluß 63. Der SCR 70 ist in Gegenrichtung vorgespannt und gesperrt. Wenn in ähnlicher Weise die Spannung am Anschluß größer ist als am Anschluß 62 und das Relais 60 triggert, wird ein Stromfluß vom Laststromanschluß 15 zum Laststromanschluß 14 aufgebaut. Dieser Stromfluß bewirkt, daß die Spannung am Verbindungspunkt 66 ansteigt und den SCR 70 triggert. Der SCR 70 leitet den relativ hohen Strom von dem Hochstromanschluß 63 zu dem Hochstromanschluß 62. Der SCR 74 ist in Gegenrichtung vorgespannt und gesperrt. Aus dieser Beschreibung ist leicht ersichtlich, daß der relativ hohe, zwischen den Anschlüssen 62 und 63 fließende Strom unmittelbar dem Stromfluß zwischen den Laststromanschlüssen 14 und 15 folgt sowohl nach seiner Richtung als auch bezüglich des Zeitpunktes, an dem der Stromfluß eingeleitet oder beendet wird.

Eine weitere Ausführungsform des Hochstromschalters ist in Fig. dargestellt. Das Schaltrelais 60 für die Spannung Null ist auch hier mit dem Hochstromschalter an den Laststromanschlüssen 14 und 15 verbunden. Das zuvor beschriebene wahlweise Dämpfungsnetzwerk aus dem Widerstand 84 und dem Kondensator 85 ist mit den Hochstromanschlüssen 62 und 63 verbunden.

In der Ausführungsform nach Fig. 4 umfaßt der Hochstromschalter einenfür zwei Richtungen durchlässigen Triodenthyristor 87 mit einer ersten Anodenelektrode 88 und einer zweiten Anodenelektrode 89, welche mit den Hochstromanschlüssen 62 und 63 verbunden sind. Ein Spannungsteiler umfaßt die Widerstände 86 und 91 und ist zwischen die Hochstromanschlüsse 62 und 63 geschaltet, um die Spannung und Leistung zu begrenzen, welche dem Relais 60 zugeführt wird. Der Laststromanschluß 14 ist unmittelbar verbunden

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mit einem mittleren Verbindungspunkt 92 der Widerstände 86 und 91. Der andere Laststromanschluß 15 ist mit einer Gitterelektrode 90 des Triodenthyristors 87 verbunden. Der Hochstromschalter der Fig. 4 arbeitet wie folgt. Das Festkörperrelais 69 arbeitet wie vorstehend beschrieben und wird als ein Trigger für den in zwei Richtungen stromdurchlassenden Triodenthyristor 87 verwendet. Wenn das Relais 60 stromdurchlässig wird, läßt es Strom in einer der beiden Richtungen zwischen den Laststromanschlüssen und 15 durch und triggert den für zwei Durchlaßrichtungen eingerichteten Triodenthyristor 87. Dieser leitet relativ hohe Stromstärken zwischen den HochstromanschlUssen 62 und 63 unmittelbar gemäß dem Stromfluß zwischen den Laststromanschlüssen, und zwar sowohl nach der Richtung als auch nach dem Zeitpunkt, in dem der Stromfluß eingeleitet oder beendet wird.

Vorstehend wurde eine ausführliche Beschreibung verschiedener AusfUhrungsformen der Erfindung für ein Umschaltrelais in Festkörperbauweise und für die Spannung Null gegeben.

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Claims

Patentansprüche

Festkörperrelais mit Fähigkeit zur Einleitung des Stromdurchlasses von Wechselstrom jeweils dann, wenn der Momentanwert der Spannung des Wechselstroms gleich oder nahezu gleich Null ist, dadurch gekennzeichnet , daß es umfaßt:

einen Laststrom führenden Teil (11) mit zwei Laststromanschlüssen (14, 15) und eine durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung (30) variabler Empfindlichkeit zur Leitung des Stroms zwischen den Laststromanschlüssen, einen Steuerteil (10) mit zwei Steuersignalanschlüssen (12, 13) und einem Photonengenerator (20), der zur Kopplung der Photonen mit der Schaltereinrichtung (30) angeordnet ist und für die Aussendung von Photonen bei Zuschaltung durch ein Steuersignal eingerichtet ist, Einrichtungen (35) zur Herstellung der größten Empfindlichkeit der Schaltereinrichtung (30) für den Stromdurchgang,wenn die Spannung zwischen den Laststromanschlüssen (14, 15) Null ist, so daß durch den Steuerteil (10) Triggerenergie lieferbar ist, welche zur Einleitung des Stromdurchlasses zwischen den Laststromr anschlüssen des Laststrom führenden Teils (11) erforderlich ist Jeweils bei dem Betriebszustand, bei dem die Spannung zwischen den Laststromanschlüssen gleich oder nahezu Null ist.

Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung (30) variabler Empfindlichkeit ein Paar von Hauptstrom führenden Elektroden (31, 32) besitzt, die elektrisch mit den Laststromanschlüssen (14, 15) verbunden sind, sowie eine Hilfselektrode (33) und die Schalterein-

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richtung (30) eine verminderte Photonenempfindlichkeit proportional zur Amplitude der durch die Hilfselektrode (33) fließenden Stromstärke besitzt, und weiterhin Einrichtungen zur Steuerung des Stromflusses in der Hilfselektrode (33) für diese durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung (30) vorgesehen sind, einschließlich einer auf ein Vorspannungssignal ansprechenden variablen Impedanz (35) in Reihe mit der Hilfselektrode (33) und weiterhin Vorspannungssignalerzeugereinrichtungen (40, 41) elektrisch mit der variablen Impedanz (35) und mit den Laststromanschlüssen verbunden sind und so angeordnet sind, daß die variable Impedanz in einem Zustand niedriger Impedanz gehalten werden kann mit Ausnahme der Betriebszustände, bei denen die Spannungsdifferenz zwischen den Laststromanschlüssen gleich oder nahezu Null ist. ,

3. Festkörperrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Laststromanschlüsse (14, 15) mit dem Paar von Hauptstromelektroden (31, 32) bzw. der Vor- -spannungssignalerzeugungseinrichtungen (40, 41) durch eine Ein· richtung (21 - 24) zur Gleichrichtung eines Wechselstroms elektrisch verbunden sind.

4. Festkörperrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtung variabler Empfindlichkeit zwei durch Photonen aktivierte Schaltereinrichtungen (51, 52) enthält, welche jeweils ein Paar von Hauptstrom führenden Elektroden und eine Gitterelektrode besitzen, wobei die Schaltereinrichtungen durch die Hauptstrom führenden Elektroden mit den Laststromanschlüssen parallel invers zueinander geschaltet sind und jede Schaltereinrichtung eine verminderte Photonenempfindlichkeit proportional zur Amplitude des durch ihre G^tter-

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elektrode fließenden Stroms besitzt, und weiterhin ein Photonengenerator mit beiden Schaltereinrichtungen zur Kopplung der Photonen angeordnet ist und ein Paar von Steuersigna leingangsanschlüssen besitzt sowie eine Einrichtung zur Steuerung des Stromflusses durch die Gitterelektrode der Schaltereinrichtungen vorgesehen ist einschließlich ei ner auf ein Vorspannungssignal ansprechenden variablen Impedanzeinrichtung (53, 54) in Reihenschaltung mit der Gitterelektrode jeder der Schaltereinrichtungen und noch eine Vorspannungssignalerzeugungseinrichtung mit jeder variablen Impedanzeinrichtung und den Laststromanschlüssen verbunden und so geschaltet ist, daß sie jede in Vorwärtsrichtung vorgespannte variable Impedanzeinrichtung in einem niedrigen Impedanzzustand hält mit Ausnahme der Betriebszustand^, bei denen die Spannungsdifferenz zwischen den Laststromanschlüssen Null oder nahezu Null ist.

5. Festkörperrelais nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Photonen aktivierte Schnltereinrichtung einen lichtaktivierten gesteuerten Siliziumgleichrichter enthält mit einer Hauptstrom führenden Anode und Kathode und einer Gitterelektrode, wobei der Photonengenerator mindestens eine lichtaussendende Diode und die variable Impedanzeinrichtung einen Transistor umfaßt, von dem eine Kollektorelektrode mit der Gitterelektrode des lichtaktivierten gesteuerten Siliziumgleichrichters und eine Emitterelektrode mit der Kathodenelektrode des lichtaktivierten gesteuerten Siliziumgleichrichters verbunden ist und eine Basiselektrode zur Aufnahme eines VorspannungssignaIs von der Vorspannungssignalerzeugereinrichtung geschaltet ist und die Gleichrichtereinrichtung eine VoIlwegdiodengleichrichterbrücke umfaßt.

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Festkörperrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch geken η ζ e i c h η e t , daß ein Kochstrom· schalter mit dem Paar von Laststromanschlüssen zur entsprechenden Umschaltung von Strom zwischen einem Paar von Hochstromanschlüssen unmittelbar gemäß dem Stromfluß zwischen den Laststromanschlüssen verbunden ist.

7. Festkörperrelais nach Anspruch 6, dadurch g e kennze lehnet, daß der Rochstromschalter erste und zweite gesteuerte Siliziumgleichrichter umfaßt, wobei jeder der gesteuerten Siliziumgleichrichter eine Anode, eine Kathode und eine Gitterelektrode besitzt und die Anoden und Kathoden jeden der gesteuerten Siliziumgleichrichter invers ' parallel zueinander mit den Hochstromanschlüssen verbinden, wobei die Gitterelektrode des ersten gesteuerten Siliziumgleichrichters elektrisch mit einem des Paars von Laststromanschlüssen und die Gitterelektrode des zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichters elektrisch mit dem anderen Anschluß des Paars von Laststromanschlüssen verbunden ist.

8. Festkörperrelais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Hochstromschalter einen für zwei Stromrichtungen eingerichteten Triodenthyristor umfaßt mit einer ersten und zweiten Anodenelektrode und einer Gitterelektrode, wobei die erste und zweite Anodenelektrode mit den Hochstromanschlüssen verbunden ist und die Gitterelektrode dieses Triodenthyristors elektrisch mit einem der Anschlüsse des Paars von Laststromanschlüssen verbunden ist und weiterhin ein Spannungsteiler vorgesehen ist, welcher zwischen die Hochstromanschlüsse geschaltet ist und einen Mittenverzweigungspunkt besitzt, der elektrisch mit dem anderen Anschluß des Paars von Laststromanschlüssen verbunden ist.

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9. Festkörperrelais nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Hochstromschalter erste und zweite gesteuerte Siliziumgleichrichter besitzt, wobei Jeder der gesteuerten Siliziumgleichrichter eine Anode, Kathode und Gitterelektroden aufweist und die Anode und die Kathode jeden der gesteuerten Siliziumgleichrichter mit den Hochstromanschlüssen parallel invers zueinander verbinden und die Gitterelektrode des ersten gesteuerten Siliziumgleichrichters elektrisch mit einem Anschluß des Paars von Laststromanschlüssen und die Gitterelektrode des zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichters elektrisch mit dem anderen Anschluß des Paars von Laststromanschlüssen verbunden ist.

10. Verfahren zur Verwendung des Festkörperrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Einleitung des Stromdurchlasses von Wechselstrom, wenn der Momentanwert der Spannung des Wechselstroms gleich oder nahezu Null ist in einer Schaltung mit einem laststromführenden Teil zwischen zwei Laststromanschlüssen und Verwendung der durch Photonen aktivierten Schaltereinrichtung variabler Empfindlichkeit zur Leitung des Stroms zwischen den Laststromanschlüssen, dadurch gekennzeichnet , daß Photonen mit Photonenkopplung auf die Schaltereinrichtungen zur Steuerung der Schaltereinrichtungen erzeugt werden und die Schaltereinrichtung am empfindlichsten für den Stromdurchlaß jedesmal dann gemacht wird, wenn die Spannung zwischen den Laststromanschlüssen Null ist, wodurch die erzeugten Photonen die Triggerenergie liefern, welche zum Einleiten des Stromdurchlasses in den Laststromanschlüssen durch den laststromführenden Teil benötigt wird, wenn die Spannung zwischen den Laststromanschlüssen Null oder nahezu Null ist.

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