DE2406445B2

DE2406445B2 - Steuerschaltung zum schalten eines mit seiner schaltstrecke in einem gleichgerichteten wechselstrom-lastkreis liegenden triacs jeweils nahe dem spannungsnulldurchgang in abhaengigkeit von einer ueber eine diode der steuerelektrode zugefuehrten steuerspannung

Info

Publication number: DE2406445B2
Application number: DE19742406445
Authority: DE
Inventors: Maurice Fontenay-Le-Fleury Sauvanet (Frankreich)
Original assignee: Silec-Semi-Conducteurs, Paris
Priority date: 1973-03-01
Filing date: 1974-02-11
Publication date: 1977-12-22
Also published as: FR2220114B1; US3992638A; BE809346A; NL7400774A; DE2406445A1; IT1003376B; FR2220114A1; GB1468527A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Steuerschaltungen dieser Art sind bekannt (US-PS 35 291 und 34 50 891 und GR-PS 1164 065). Der Schaltzeitpunkt jeweils nahe dem Spannungsnulldurchgang wird bei diesen bekannten Schaltungen durch zusätzliche Steuernetzwerke bestimmt, welche die Steuerspannung für den Triac liefern. Die Steuerspannung wird jeweils zwischen der Steuerelektrode und der unmittelbar auf der gleichen Seite wie diese liegende Hauptelektrode dem Triac zugeführt, und die von der Steuerelektrode angeschaltete Diode ist jeweils so gepolt, daß die Steuerspannung jeweils in der richtigen Polarität an der Steuerelektrode des Triacs anliegt. Wegen des zusätzlichen Steuernetzwerkes sind diese bekannten Steuerschaltungen im Aufbau relativ kompliziert und teuer und auch störanfällig.

Fs ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steuerschaltung dieser Art zu schaffen, die mit wesentlich geringerem schaltiingstechniseheni Aufwand ein sicheres Schalten des Triacs jeweils nahe dem Spannungsnuildurchgang der Lastkreisspannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Steucrschaiiung iiuii Oberbegriff de-> ί Imijminspi uCucS durch die kennzeichnenden Merkmal dieses Anspruchs gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung entfallen die bei den bekannten Schaltungen nötigen zusätzlichen Steuernetzwerke, eine erfindungsgemäße Steuerschaltung kann damit wesentlich einfacher und billiger aufgebaut werden und ist wegen der geringeren Anzahl von Bauelementen auch wesentlich störunempfindlicher. Der exakte Schaltzeitpunkt wird bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung allein durch die spezielle Prolarität der an der Steuerelektrode vorgese-

4-> hen Diode und die spezielle Art der Anlegung der Steuerspannung an den Triac bestimmt. Bei der erfindungsgemäßen Steuerschaltung kann der Triac nur dann durchgeschaltet werden, wenn die Spannung zwischen den Hauptelektroden eine geringere Amplitu-

)() de besitzt als die anliegende Steuerspannung. Wenn keine Steuerspannung anliegt, wird also mit Sicherheit ein unbeabsichtigtes Durchschalten des Triacs verhindert. Wenn eine Steuerspannung anliegt, kann der Triac erst dann durchgeschaltet werden, wenn die an den

Vj Hauptelektroden anliegende Lastkreisspanung kleiner ist als die Steuerspannung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Steuerschaltung einerseits bezüglich besonders einfachen Aufbaus und andererseits bezüglich spezieller

hü Verwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus <.\ca Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati-

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näher erläutert. Es zeigt

F i g. ! und 2 verschiedene Schalmngsmöglichkciten für eine erfindungsgemäße .Steuerschaltung unter Verwendung verschiedener bekannter Halbleiterbauelemente,

Fig. 3 bis 7 verschiedene Anwendungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Steuerschaltuns in Ein- und Mehrphasen-Netzwerken.

Fig. IC zeigt ein erstes Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung, und zwar aufge- ϊ baut mit einem Thyristor 1 mit Hilfskathode. Ein solcher bekannter Thyristor t ist in Fig. IA dargestellt, das zugehörige Schaltsymbol in Fig. IB. Ein solcher Thyristor hat die Eigenschaft, daß er Strom nur von der Anode a zur Kathode b durchläßt, wenn zwischen u> Steuerelektrode g und Kathode b eine negative Steuerspannung anliegt. In der Schaltung nach Fig. IC liegt die zu schaltende gleichgerichtete Lastkreis-Wechseispannung V_ab an den Anschlüssen tO und 11, und zwar in solcher Polarität, daß die Anode a bezüglich der Kathode b positiv ist. Die Steuerspannung V, wird an den Klemmen 12 und 13 angelegt. Wenn diese Steuerspannung V₁ jeweils eine solche Polarität hat, daß der Schaltungspunkt 12 bezüglich dem Schaltungspunkt 13 positiv ist, wird der Thyristor 1 jeweils dann gesperrt, wenn die Polarität der Steuerelektrode g negativ bezüglich der Kathode b ist. In Reihe zum Thyristor 1 entweder zwischen Anschluß 12 und Anode a oder zwischen Steuerelektrode g und Anschluß 13 ist eine Diode 2 mit solcher Polarität geschaltet, daß sie jeweils _>i einen von der Kathode b kommenden Strom zum Anschluß 13 über die Steuerelektrode durchläßt und parasitäre Ströme blockiert, die von der Anoae zur Kathode über die Steuerelektrode fließen können, beispielsweise aufgrund von Stromdurchsehlag durch so den Übergang der Steuerelektrode.

Anstelle des Thyristors 1 mit Hilfskathode kann gemäß Fig. ID und IE auch ein üblicher Triac 3 in Verbindung mit einer zusätzlichen Diode 2 verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Die Elektroden a und b dieses dargestellten Triacs entsprechen den üblichen Bezeichnungen Ai und A\ eines solchen Triacs. Die Steuerung eines solchen Triacs kann durch positive oder negative Spannungen an der Steuerelektrode #gegenüber der Elektrode b erfolgen. 4η Der Triac ist so in den Lastkreis eingeschaltet, daß seine Elektrode a positiv bezüglich der Elektrode b ist. Die Steuerspannung V, wird wieder über die Anschlüsse 12 und 13 zugeführt und die Diode 2 ist jeweils so gepolt, daß ein Steuerstrom nur in Richtung von der Steuerelektrode g zur Elektrode a fließen kann. Bei Verwendung eines Triacs ist diese Diode 2 unbedingt notwendig, um ein Abschalten durch positive Spannungen für den Fall zu verhindern, daß die Übergangsschicht der Steuerelektrode einer Speisespannung mit umgekehrter Polarisierung nicht standhalten kann. Der Triac ermöglicht einen Stromfluß von der Elektrode b zur Elektrode a, wenn zwischen den Anschlüssen 12 und 13 die Steuerspannung anliegt und die Polarität der Lastkreisspannung sich umkehrt. ή

F i g. 2C zeigt die Verwendung eines Thyristors 4 mit indirekter Steuerelektrode zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung. Ein solcher mindestens aus vier Halbleiterschichten von unterschiedlicher Dotierung aufgebauter spezieller Thyristor ist im nn Prinzip in Fig. 2A dargestellt, das zugehörige Schaltsymbol zeigt F i g. 2B. Ein. solcher spezieller Thyristor 4 hat die Eigenschaft, daß er Strom nur von der Anode b zur Kathode a durchläßt und damit ieiienü wird, wenn eine positive Steuerspannung bezüglich der Anode b "> über die Steuerelektrode g· zugeführt wird. Die Anode b dieses speziellen Thyristors ist mit dem Anschluß 10 des Lastkreises, die Kathode a mit dem Ansschluß 11 des Lastkreises und dem Anschluß 13 des Steuerkreises verbunden, der Anschluß 12 des Steuerkreises liegt an di_r Steuerelektrode g. Die zu unterbrechende gleichgerichtete Lastkreiswechselspannung wird so an die Anschlüsse 10 und 11 angelegt, daß die Kathode a negativ bezüglich der Anode b ist. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist im Prinzip die gleiche wie bei den '•rsten Ausführungsbeispielen, auch bei dieser Schaltung

^n zwischen den Anschlüssen 13 und der Kathode a ouer zwischen der Steuerelektrode g und dem Anschluß 12 eine Diode 2 mit solcher Polarität zwischengeschaltet sein, daß der Strom zwischen Steuerelektrode g und Anode b fließen kann.

Nach den Fig. 2D und 2E kann anstelle dieses Thyristors 4 mit indirekter Steuerelektrode auch bei einer solchen Schaltung nach F i g. 2C wieder ein Triac 3 verwendet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. In diesem Fail muß wieder eine Diode 2 zwischen den Anschlüssen 12 und 13 vorgesehen sein, damit Strom nur von der Elektrode a zur Steuerelektrode g fließen kann.

In den folgenden Ausführungsbeispielen für spezielle Verwendungen einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung wird diese insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet, sie kann dabei wahlweise nach einem der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1C, 1D, 1E oder 2C, 2D oder 2E aufgebaut sein.

Fig.3 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung als Zweiweg-Unterbrecher. Die Anschlüsse 10 und 11 der Steuerschaltung 5 sind mit einer Diagonalen einer Gleichrichterbrücke 6 verbunden, und zwar derart, daß der Anschluß 10 bezüglich des Anschlusses 11 positiv ist. Die zu unterbrechende Wechselspannung wird an die andere Diagonale dieser Gleichrichterbrücke 6 über die Anschlüsse 14 und 15 angelegt.

Die Steuerspannung V, wird über die Anschlüsse 12 und 13 zugeführt. Ein Steuerstrom zur Steuerelektrode g der Schaltung 5 kann nur dann fließen, wenn die Lastkreisspannung V^/,unter einen vorbestimmten Wert abfällt, der von der Steuerspannung V, abhängt. Die Schaltung 5 wird also nur in der Nähe des Nulldurchgangs der Lastkreisspannung leitend und bleibt bis zum nächsten Nulldurchgang des Lastkreisstromes auch dann leitend, wenn die Steuerspannung V, vor diesem Nulldurchgang aufgehoben wird. Zwischen den Anschlüssen 10 und 11 kann eine Impedanz 7 geschaltet sein, damit ein eventuell ein Abschalten auslösender Strom abfließen kann. Wenn die Steuerspannung V₁ eine Wechselspannung mit bezüglich der Frequenz des Lastkreises hoher Freqzenz ist, ist diese Impedanz 7 vorzugsweise eine kleine Kapazität, die parallel zi einem hohen Widerstand geschaltet ist.

Fig.4 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemä ßen Steuerschaltung 5 zum Steuern eines als Haupt schalter in einem Wechselstromschaltkreis liegender Triacs 8. Eine Diagonale einer Gleichrichterbrücke 6 is zwischen der Elektrode .4? dieses Triacs 8 und dessei Steuerelektrode angeordnet, während die anden Diagonale an die Hauptanschlüsse 10 und Il de Schaltung 5 angeschlossen ist. Diese arbeitet so, wi anhand der F i g. 3 beschrieben. Sie läßt Speisestrom ζ der Steuerelektrode des Triacs immer dann durch, wen eine Steuerspannung V. zwischen den Anschlüssen 1 und 13 vorhanden ist und die momentane Speisespar nung die Amplitude der Spannung V, merklic unterschreitet. Ein Stromdurchgang über die Steuei elektrode g der Schaltung 5 findet anfänglich über di

Impedanzen 7 und T statt.

[■!ine Abzweigung zwischen diesen Impedanzen führt zur Elektrode A] des Haupltriacs 8, um jeden Stromdurchgang durch seine Steuerelektrode außerhalb der gewünschten Zeitpunkte zu verhindern. Die zu unterbrechende Lastkreisspannung ist an die Hauptanschlüsse A\ und Ai des Triacs 8 angeschlossen; die Last 9 ist in Serie im Lastkreis. Diese Art der Steuerung ist insbesondere deshalb interessant, weil die Stromleitung über die Schaltung 5 selbst nach Vergrößerung der Spannung V₃* aufrechterhalten wird, solange der Strom in der Schaltung 5 größer als der Haltestrom bleibt.

F i g. 4 zeigt ferner eine bevorzugte Art des Anlegens der Steuerspannung zwischen den Anschlüssen 12 und 13. Diese Spannung ist eine Wechselspannung mit sehr viel höherer Frequenz als die Frequenz der Speisespannung, und sie wird zwischen 12 und 13 mittels eines Transformators 20 angelegt, der die Schaltung 5 galvanisch von der Steuerschaltung trennt. Dem Transformator 20 kann ein Oszillator 21 zugeordnet sein, dessen Wirkung durch das zwischen den Anschlüssen 16 und 17 angelegte Schließsignal erzeugt wird. Die galvanische Trennung zwischen den Anschlüssen 16 und 17 und dem Triac 8 ermöglicht das Realisieren eines mehrphasigen Synchronunterbrechers, in dem eine Schaltung gemäß F i g. 4 in jede der zu unterbrechenden n-Phasen (n = 2 für einen Dreiphasenkreis) eingeschaltet wird und in dem die Anschlüsse 16 und 17 mit jedem der η-Schaltungen verbunden werden. Eine dieser n-Schaltungen ist durch den gestrichelten Block in F i g. 4 unten angedeutet.

Fig. 5A zeigt eine andere Ausführungsform eines Synchronunterbrechers. Zwei Steuerschaltungen 5 und 5', die in dieser Figur in einer Ausführung mit einem Triac 3 bzw. 3' und einer Diode 2 gezeigt sind, sind mit ihren Hauptelektroden a und a' zusammengeschaltet und in Reihe mit der Last 9 und der Wechselspannungsvcrsorgung über ihre anderen Hauptelektroden £>und b' geschaltet. Ein die Steuerspannung V, repräsentierendes Signal wird in Parallelschaltung den beiden Schaltungen über ihre Steueranschlüsse 12 und 13, 12' und 13' zugeführt, vorzugsweise über einen Transformator 22, der die galvanische Trennung bewirkt. An den Anschlüssen a und b, a'und ö'der Triacs 3 und 3' sind Impedanzen 7 und T angeschaltet. Während der positiven Halbwellen der Versorgungsspannung ist der Triac 3 durch den zwischen b und Anschluß 13 über die Diode 2 direkt fließenden Strom abgeschaltet, aber der Triac 3' leitet nur, wenn das Steuersignal zu Beginn der Halbwelle vorhanden ist und die Speisespannung einen kleineren Wert als den Schwellwert hat. Während der negativen Halbwelle leitet der Triac 3, während der Triac 3' den Stromfluß blockiert, wenn er nicht vorher in der zeillichen Umgebung des Nulldurchgangs abgeschaltet worden ist.

Fig. 5B zeigt eine andere Ausführung, bei der eine Schaltung gemäß Fig. 5A als Abschaltvorrichtung auf Null einer Spannung eines Triacs 8 dient.

Außer den Bauelementen und Verbindungen gemäß F i g. 5A ist ein Triac 8 mit seiner Hauptelektrode A> an den Hauptanschluß b der Schaltung 5 und mit seiner Übergangsgitter-Ilauptelcktrode A\ in Reihe zwischen

die Hauptelektrode b' der Schaltung 5' und die Verbraucherspannung geschaltet. Die Elektrode A₁ ist an die Verbindungsstelle zwischen den Impedanzen 7 und T angeschlossen.

F i g. 6A zeigt eine andere Anwendung der Erfindung, wobei eine Diode 60 an die Anschlüsse 10 und 11 der Schaltung 5 angeschlossen ist, wobei diese Anschlüsse

10 und 11 nach wie vor mit der Verbraucherschaltung verbunden sind. Wenn die Verbraucherschaltung durch einen Wechselstrom gespeist ist, ist die Diode 60 so polarisiert, daß sie Halbwellen durchläßt, für welche Punkt 10 bezüglich Punkt 11 negativ ist. für die Halbwellen, für welche Punkt 10 positiv bezüglich Punkt

11 ist, kann der Strom die Schaltung 5 nur durchfließen, wenn ihm ein Steuersignal eingegeben wird, wie oben beschrieben. Die Vorrichtung gemäß Fig. 6A ist von den Anschlüssen 10 und 11 her gesehen immer leitend für negative Halbwellen und wird leitend in der zeitlichen Umgebung des Nulldurchgangs positiver Halbwellen der Spannung, wenn ein Steuersignal zwischen den Anschlüssen 12 und 13 eingespeist wird.

F i g. 6B zeigt die Verwendung einer Schaltung gemäß F i g. 6A zum Synchronunterbrechen eines Mehrphasenstromes; die Figur zeigt dies im SpezialFall eines Dreiphasennetzes. Jede Schaltung 5 schaltet nur dann ab. wenn einem Transformator 61 ein Steuersignal eingespeist wird und wenn die Spannung an den Anschlüssen die zeitliche Umgebung des Nulldurchgangs erreicht. Wenn dieser Unterbrecher ausgelöst ist. fließt sein Strom über die Diode 60 einer anderen Phase. In Fig.6B ist mit dem Bezugszeichen 69 eine Last bezeichnet.

Je nach der Anwendung können von den F i g. 6A und 6B abweichende Unterbrecherschaltungen für Mehrphasenkrcise verwirklicht werden.

F i g. 7 gibt ein Beispiel für eine dieser möglichen Varianten, die besonders zweckmäßig in einem Anwendungsfall ist, in dem die Verbraucherschaltung eine sehr hohe Leistung und Funktionsspannung aufweist. In dieser Schaltung ist eine Schaltung 5 entsprechend der Ausführung nach Fig. IC eingesetzt. Ein Hilfsthyristor 71 ist in Reihe mit dem Thyristor 1 geschaltet. Die Spannung an den Anschlüssen der Gesamtheit beider Thyristoren wird durch Kondensatoren 72 und 72' und Widerstände 73 und 73' geteilt. Wenn ein Steuersignal mit erhöhter Frequenz an die Anschlüsse der Steuerschaltung über einen Transformator 20 angelegt wird und die Spannung an den Anschlüssen der Thyristoren 71 und 1 kleiner als die Amplitude des Steuersignals ist, wird der Thyristor 1 ausgelöst. Sein Leitendwerden läßt einen Strom über die Übergangszone der Steuerelektrode des Hilfsthyristors 71 vermittels der Kapazität 72 fließen. Dieser Strom löst den Thyristor 71 aus und macht die beiden in Reihe angeordneten Thyristoren leitend für den Speisestrom. Dieser Strom kann direkt durch die Belastung fließen oder bei höheren Leistungen zur Speisung der Steuerelektrode eines Leistungsthyristors 74 gemäß Fig. 7 dienen. Der Thyristor 74 kann ferner mit einer Diode 60 antiparallel geschaltet sein und somit in einer Mehrphasenschaltung Verwendung finden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Li. Patentansprüche:

1. Steuerschaltung zum Schalten eines mit seiner Schaltstrecke in einem gleichgerichteten Wechselsirom-Lastkreis liegenden Triacs jeweils nahe dem Spannungsnulldurchgang in Abhängigkeit von einer über eine Diode der Steuerelektrode zugeführien Steuerspannung, dadurch gekennzeichne;, daß die Steuerspannung (Vi) zwischen der Steuerelektrode (g) und der dieser abgewandten Hauptelektrode (a) des Triacs (3) anliegt und die Diode (2) derart gepolt ist, da^ ein Steuerstrom nur bei auf die gemeinsame Hauptelektrode (a) des Triacs (3) bezogener gleicher Polarität von Steuerspannung (Vi) und Schaltstreckenspannung (Vnb) fließt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Triac mit vorgeschalteter Diode durch einen Thyristor (1) mit Hilfskathode gebildet ist(Fig. IA).

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Triac mit vorgeschalteter Diode durch einen Thyristor (4) mit indirekter Steuerelektrode gebildet ist (F i g. 2A).

4. Schaltung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke des Triacs (5) in dereinen Diagonale einer Gleichrichterbrücke (6) liegt, parallel dazu eine Impedanz (7) geschaltet ist und an der anderen Diagonalen dieser Gleichrichterbrücke (6) der Wechselstrom-Lastkreis (14,15) angeschaltet ist. (F ig. 3)

5. Schaltung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung eine Wechselspannung mit gegenüber der Wechselspannung des Lastkreises wesentlich höherer Frequenz ist und über einen Transformator (20, 22, 61) zugeführt wird.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke des Triacs (5) in der einen Diagonalen einer Gleichrichterbrücke (6) liegt, in Reihe /um Lastkreis die Schaltstrecke (a 2, A 1) eines weiterer, Triacs (8) geschaltet ist, dessen Steuerkreis (g. Λ 2) an die andere Diagonale dieser Gleichrichterbrücke (6) angeschaltet ist, und parallel zur Schaltstück*- des Triacs (5) zwei in Reihe geschaltete impedanzen (7, T) liegen, deren Verbindungspunkt mit dem dem Steuerkreis ubgewandten Anschluß (A 1) des weite ren Triacs (8) verbunden ist (F i g. 4).

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastkreis ein Mehrphasennetz ist.

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecken zweier Triacs (3, 3') entgegengesetzt gepolt in Reihe im Lastkreis liegen und die Steuerkreise (12, 13; 12', 13') parallel geschaltet sind (F ig. 5A).

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß skin den einzelnen Phasen eines Mehrphasennetzes verwendet ist (Fig. 6B) und parallel zu der im Lastkreis liegenden Schaltstrecke des Triacs (5) eine Diode (60) geschaltet ist.

10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Schaltstrecke des Triacs (5) die Schaltstrecke eines Hilfsthyristors (71) geschaltet Nt (F ig. 7).