DE2441501B2

DE2441501B2 - Schaltungsanordnung zum stossfreien einschalten einer last

Info

Publication number: DE2441501B2
Application number: DE19742441501
Authority: DE
Inventors: Josuke Sanda Hyogo Nakata (Japan)
Original assignee: P.r 30.08.73 Japan 97651-73
Priority date: 1973-08-30
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1976-01-22
Also published as: DE2441501C3; JPS5045949A; DE2441501A1; US3896369A

Description

50 F i g. 2 a eine graphische Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufes am Thyristor und am Konden-

sator der Schaltungsanordnung nach F i g. 1,

F i g. 2 b eine graphische Darstellung des Zündverhaltens des Thyristors,

55 F i g. 2 c eine graphische Darstellung der Größe der

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung Durchbruchspannung des Halbleiterschalterelementes zum stoßfreien Einschalten einer Last mit einem in in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 über der Reihe mit der Last an einer Wechselstromqueile ge- Temperatur an seinem Halbleiterüber^ang. schalteten Thyristor. Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanord-

Bekanntlich entstehen beim Einschalten oder An- 60 nung nach der Erfindung speist eine Wechselstromfahren bestimmter elektrischer Lasten hohe Ein- quelle 10 mit den Anschlußklemmen 10 Λ und 1OB schaltströme, so z. B. beim Einschalten von Lampen, über einen von Hand betätigbaren Ein-Aus-Schalter Elektromotoren, elektrischen Heizgeräten u. dgl. Es 11 und eine Last 12, mit der ein Thyristor 14 in Serie ist bereits erwogen worden, zur Unterdrückung der liegt. Parallel zum Thyristor ist eine Trigger-Schalungünstigen Einschalt-Stromstöße einen Thyristor in 65 tung 16 angeschlossen. Die Last 12 hat die Eigen-Phasenanschnittsteuerung zu verwenden, dessen schaft, bei unmittelbarer Anschaltung an eine Wech-Zündzeitpunkt durch Verstellung eines Regelwider- selstromquelle einen hohen Einschalt-Stromstoß zu Standes in einer zugeordneten Phasenschieberschal- bewirken.

Gemäß Fig. 1 ist der Thyristor 14 ein Zweirich- Elektroden handelt es sieb um die Elektroden 24 yf

tungs-Triodenthyristor mit zwei Hauptklemmen oder und 24 B gemäß F i g. 1.

-polen 14 Λ und 14 B sowie einem Steuer- oder Gate- Wenn eine über den Halbleiterschalter 24 ange-

PoI 14 C. Der Hauptpol 14 A ist mit der einen Klemme legte Spannung mit der genannten ersten oder zweiten

10 A der Stromquelle 10 verbunden, während der an- 5 Polarität eine vorbestimmte Größe erreicht, zeigt das

dere Hauptpol 14S über die Last 12 mit der anderen Element 24 das Durchbruchverhalten und leitet zwi-

KlemmelOß der Stromquelle IO verbunden ist. Der sehen den Klemmen 2AA und 24 B. Die Spannung,

Thyristor 14 ist daher, wie erwähnt, mit der Last 12 bei welcher der Durchbruch auftritt, wird als Durch-

in Reihe geschaltet bruchspannung V_Bo bezeichnet Derartige Halbleiter-

Bekanntlich kann ein Zweirichtungs- oder Bidirek- io schalter sind unter der Handelsbezeichnung »DIAC« tional-i'riodenthyristorl4 in seinen Durchschaltzu- erhältlich. Wärmeempfindliche Halbleiterschalter diestand getriggert werden, wenn eine Spannung einer ser Art sind Zweirichtungs-Triggerdioden, deren ersten Polarität anliegt, durch die sein Hauptpol 14 A äußere Hableiterschichten nebst zugeordneten Elekgegenüber seinem Hauptpol 14 B positiv wird, und troden gegenüber der mittleren Halbleiterschicht symwenn eine Spannung mit einer zweiten Polarität an- 15 metrisch ausgebildet und angeordnet sind, so daß die liegt, durch die sein Hauptpol 14 B gegenüber seinem Durchbruchspannung bei der ersten Polarität bezüg-Hauptpoll4/4 positiv wird. Wenn eine Spannung mit Hch der Größe derjenigen bei der zweiten Polarität der ersten Polarität an den Hauptpolen 14 A und 14 ß praktisch gleich ist.

des Thyristors 14 anliegt, spricht die^r auf einen vom Die Durchbruchspannung V_Bo hängt von der Tem-Gate-PoI14C;cum Hauptpol 14 B fließenden Trigger- so peratur an den zugeordneten pn-Übergängen ab, wie strom mit seinem Durchschalten an, während der dies in F i g. 2 a dargestellt ist, in welcher die DurchThyristor 14 bei einer Spannung mit der zweiten PoIa- bruchspannung 7_ß0 auf der Ordinate gegenüber der rität an den Hauptpolen 14 A und 14 B mit Durch- Temperatur Γ, am zugeordneten pn-übergang auf der schalten auf einen Triggerstrom entspricht, der vom Abszisse für einen wärmeempfindlichen Halbleiter-Hauptpol 14 B zum Gate-Pol 14 C fließt. 25 schalter der genannten handelsüblichen Art aufgetra-

Gemäß F i g. 1 weist die Triggerschaltung 16 einen gen ist. Wenn die Ubergangstemperatur T₁ fortlaufend

P »nelwider-tand bzw. einen verstellbaren Widerstand auf T_1v T, ₂ und T₁ ₃ zunimmt, verringert sich die ent-

18, einen Kondensator20 und ein allgemein mit 22 sprechende Durchbruchspannung V_Bo fortschreitend

Uctciuuietes warmeemphndliches Element auf. Der auf V_Bav V_Bq2 bzw. V_Bm. Gemäß Fig.2c bleibt

Re»e1widersti»nd 18 ist über den normalerweise oSe- 30 außerdem die Durchbruchspannung V_Bo bei Tempe-

nen Schaltern an die eine Klemme 10Λ der Strom- raturen über dem Wert von T₁₃, die z. B. im Bereich

quelle 10 geschaltet, und er ist außerdem mit dem von 60 bis 70° C liegen können, praktisch konstant.

Kondensator210 in Reihe geschaltet. Genauer gesagt, In Fig. 2c gibt der Punkt T_n die Raumtemperatur

ist cue erne Klemme 20 A des Kondensators 20 über an.

den Regelwiderstand mit dem Hauptpol UA des 35 Das elektrische Heizelement bzw. der Heizwider-Thyristors verbunden, während seine andere Klemme stand 26 ist derart thermisch mit dem Halbleiterschal-2OB mit dem Hauptpol 14 B und weiterhin über die ter24 gekoppelt, daß letzterer beim Einschalten die-Last 12 mit der anderen Klemme 1OB der Strom- _Ses Elements erwärmt wird, so daß sich die Überquelle 10 verbunden ist. gangstemperatur des Schalters 24 ändert. Wenn der

Das auf Wärme ansprechende oder wärmeempfind- 40 Schalter 24 in einem geschlossenen Gehäuse unterliche Element 22 weist einen wärmeempfindlichen gebracht ist, kann das Heizelement so angeordnet Halbleiterschalter 24, dessen eine Klemme 24 A mit sein, daß es dieses Gehäuse von außen her erwärmt, der Klemme 20 A des Kondensators 20 und dessen Vorzugsweise ist das Heizelement jedoch im Inneren andere Klemme 24 B mit dem Gate-Pol 14 C des Thy- des Gehäuses angeordnet, um die thermische Anristors 14 verbunden ist, sowie ein als Widerstand 26 45 kopplung zwischen ihm und dem Schalter zu verdargestelltes elektrisches Heizelement auf. Letzteres bessern.

ist thermisch an den Halbleiterschalter 24 angekop- Die Anordnung gemäß F i g. 1 arbeitet wie folgt:

pelt und über einen strombegrenzenden Widerstand Vor und während des öffnens des Schalters 11 liegt

28 an die Last 12 angeschaltet. d'e Übergangstemperatur T₁ des wärmeempfindlichen

Der wärmeempfindliche Halbleiterschalter 24 ist 50 halbleiterschalters auf Raumtemperatur T₁₁, so daß ein Halbleiterelement, das wiederholt in den Durch- seine Durchbruchspannung den Wert V_Boi besitzt, bruchbereich steuerbar ist. Bei der dargestellten Aus- F i g. 2 a veranschaulicht die Änderung der Spanführungsformi spricht dieses Element mit Durchbruch nung V₅ an der Stromquelle 10 sowie die Änderung entweder auf eine Spannung mit einer ersten PoIa- der Spannung V_c am Kondensator 20 beim Schließen rität, bei welcher die Klemme 24 A gegenüber der 55 des Schalters. Wenn der Schalter 11 in seine Schließ-Klemme24B positiv ist und die eine vorbestimmte stellung gebracht ist, bewirkt die Stromquellenspan-Größe übersteigt, oder auf eine Spannung mit einer nung mit der ersten Polarität, welche die Klemme zweiten Polarität an, bei welcher die Klemme 24 B WA gegenüber der Klemme 1OB positiv werden läßt, gegenüber der Klemme 24 A positiv ist und welche die Aufladung des Kondensators 20 mit einer ersten eine vorbestimmte Größe übersteigt. Genauer gesagt, 60 Polarität. Folglich wird der Kondensator 20 so aufist dieser Schalter 24 ein Halbleiterelement mit drei- geladen, daß die Klemme 20/1 gegenüber der Klemme lagigem pnp- oder npn-Aufbau, bei dem eine mittlere 2OB positiv wird. Andererseits wird der Kondensator Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps schicht- 20 durch eine Stromquellenspannung mit der entgeartig zwischen zwei äußere Halbleiterschichten des gengesetzten Polarität mit einer zweiten Polarität aufanderen Leittyps eingefügt ist, so daß dazwischen 65 geladen, so daß die Klemme 2OB gegenüber der zwei pn-Übcrgänge gebildet werden, und er weist Klemme 20 A positiv gehalten wird.
Elektroden auf, die mit jeder der äußeren Halbleiter- Im folgenden tei nunmehr angenommen, daß gesehichten in ohmschem Kontakt stehen. Bei diesen maß F i g. 2 a nach dem Schließen des Schalters 11

die Spannung V_c am Kondensator 20 eine Größe Nachdem die Übergangstemperatur T₁ des Schalters

V_Boi der Durchbruchspannung V_Bo des wärmeemp- 24 weiter zugenommen und den Wert T₁. erreichl

findlichen Halbleiterschalters 24 mit einem der Strom- hat, bleibt die Durchbruchspannung des Schalters 24

quellenspannung V_s nacheilenden Phasenwinkel a_t auf dem praktisch konstanten Wert von V_Bm. Dies

erreicht. Unter diesen angenommenen Bedingungen 5 führt dazu, daß ein Dauerlaststrom über die Last 12

tritt Durchbruch im Halbleiterschalter 24 bei einem fließt, dessen Größe durch Einstellung des Wider-

Phasenwinkel von ^₁ der Stromquellenspannung V_s Standswerts des Regelwiderstands 18 einstellbar odei

auf, wobei die beiden Polaritäten dazu führen, daß änderbar ist.

der Thyristor 14 in seinen Durchschaltzustand ge- Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Beiiriggert wird. Infolgedessen besitzt der Thyristor 14 io spielsweise kann ein beim Einleiten eines Stromeinen Zündwinkel, der in jeder Periode der Strom- flusses über die Last auftretender Überstrom automaquellenspannung auf Ct₁ gesteuert wird. Unter diesen tisch unterdrückt werden, ohne daß der Regelwider-Bedingungen fließt in jeder Halbperiode der Strom- stand 18 eingestellt zu werden braucht. Dies bedeutet, quellenspannung V_s ein Laststrom I_L durch die Last, daß der Regelwiderstand 18 nur zur Einstellung dei der die in F i g. 2 b durch den kreuzschraffierten Ab- 15 Größe des Dauerlaststroms geregelt zu werden schnitt dargestellte Wellenform / besitzt. braucht, so daß dieser Laststrom sehr einfach steuer-

Es ist zu beachten, daß in jeder Halbperiode der oder regelbar ist. Außerdem kann durch Änderung

Stromquellenspannung V_s mit der ersten Polarität der thermischen Kopplung zwischen dem wärmeemp-

das Zünden oder Durchschalten des Thyristors 14 findlichen Halbleiterschalter 24 und dem elektrischen

durch einen Entladestrom von Kondensator 20 er- ao Heizelement 26 oder durch Änderung der Größe des

folgt, der über den Gate-Pol 14 C zum Hauptpol 14 B Widerstandswerts des mit dem Heizelement 26 ic

des Thyristors 14 fließt, wenn die Aufladespannung Reihe geschalteten strombegrenzenden Widerstands 26

mit der ersten Polarität am Kondensator 20 die der Thyristor 14 unabhängig von den Schaltungspara-

Durchbruchspannung V₀ ₀₁ des Halbleiterschalters 24 metern der Triggerschaltung 16 bezüglich einer Ände-

erreicht und dessen Durchbruch bewirkt. In allen rest- as rung seiner Zeitkonstante gesteuert oder geregelt wer-

liehen Halbperioden, in denen die Stromquellenspan- den, die zum Erreichen des Dauerlaststroms nach

nung V_s die zweite Polarität besitzt, wird der Kon- dem Schließen des Schalters 11 erforderlich ist.

densator20 mit der zweiten Polarität aufgeladen, bis Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung

die Spannung am Kondensator 20 die Durchbruch- mit einer einzigen bevorzugten Ausführungsform dar-

spannung -Vb₀₁ des wärmeempfindlichen Schalters 30 gestellt und beschrieben ist, sind selbstverständlich

24 erreicht und dessen Durchbruch hervorruft. Zu zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich

diesem Zeitpunkt fließt ein Entladestrom vom Kon- ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Er

densator20 über den Hauptpol 14 B zum Gate-Pol findung abgewichen wird. Beispielsweise kann dei

14 C des Thyristors, so daß dieser durchgeschaltet wärmeempfindliche Halbleiterschalter 24 durch einer

wird. 35 Bidirektional-Diodenthyristor oder einen -Trioden-

Andererseits erzeugt der durch die Last 12 flie- thyristor ersetzt werden. Derartige Bidirektionalßende Laststrom l_L einen proportionalen Spannungs- Thyristoren besitzen eine vie^lagige pnpn- odei abfall an der Last 12 und dadurch einen dem Last- npnp-Struktur mit vier pn-Übergängen bekannter Art. strom proportionaler Strom durch das elektrische Sie sprechen auf eine Spannung mit einer ersten Heizelement 26, wodurch dieses erwärmt wird, liier- 40 Polarität, durch die einer der Hauptpole gegendurch wird ein allmählicher Anstieg der Übergangs- über dem anderen Hauptpol positiv wird und temperatur T₁ des wärmeempfindlichen Schalters 24 die eine vorbestimmte Größe erreicht, mit Durchhervorgerufen. Ersichtlicherweise ist der Laststrom I_L bruch an, wobei die Impedanz zwischen den unmittelbar nach dem Schließen des Schalters 11 Hauptpolen von einem hohen auf einen niedriniedrig, weil der Zündwinkel «_t des Thyristors 14 45 gen Wert umschaltet. Dies gilt auch für eine groß ist, so daß die Übergangstemperatur T₁ des Spannung mit der entgegengesetzten Polarität Bei Halbleiterschalters 24 langsam ansteigt. diesen Thyristoren ist die Durchbruchspannung V_Bv

Gemäß Fig. 2c nimmt die Durchbruchspannung ähnlich wie in Fig. 2c gezeigt, von der Übergangs

V_B(t des Halbleiterschalters 24 bei Erhöhung semer temperatur T₁ abhängig. Außerdem kann an Stelle Übergangstemperatur T₁ ab. Hierdurch wird der 50 des Thyristors 14 ein Bidirektional-Triodenthyristoi

Zündwinkel «_x des Thyristors 14 allmählich verklei- verwendet werden. In diesem Fall steuert der Thy-

nert. Infolgedessen erhöht sich der Laststrom I_L unter ristor 14 lediglich einen Laststrom, der von einer übei

Erhöhung des über das elektrische Heizelement 26 der Stromquelle vorhandenen Spannung mit einei

fließenden Stroms. Dies führt zu einem weiteren An- vorbestimmten Polarität herrührt, so daß der wärme· Stieg der Übergaagstemperatur T₁ des Schalters 24. 55 empfindliche Schalter nur ein Halbleiterelement zr

Wenn die Übergangstemperarur T₁ den Wert T_j2 er- sein braucht, welches die Durchbrucherscheinung nui

reicht, fällt die Durchbnichspannung des Schalters 24 bei der betreffenden Polarität besitzt, beispielsweise

entsprechend auf V_Bo2 ab. In diesem Fall erreicht die ein Einrichtungs-Diodenthyristor. Gewünschtenfalls

Spannung V_e am Kondensator20 die Durchbruch- kann der Anordnung gemäß Fig. 1 ein bekannte! Spannung V_Bos des Halbleiterschalters 24 bei einer 60 Schaltkreis zur Beseitigung der Hysterese des ge-

fhasennacheilung von «₂ hinter der Stromquellen- steuerten Ausgangs des Thyristors 14 hinzugefügt

Spannung V_s, wobei <*₂ kleiner ist als a_r Mithin zün- werden.

«let der Thyristor 14 bei einem Zündwinkel von «₂, Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine der kleiner ist als der Zündwinkel (X₁, so daß der über Schaltung zum Triggern eines Bidirektional-Tfcyridie Last 12 fließende Laststrom I_L zunimmt, wie dies 6g stors mit einem durch eine Wechselstromquelle aufdurch die Summe des kreuzschraffierten Bereichs I geladenen Kondensator geschaffen, die einen wärme- und des schraffierten BereichsII in Fig. 2b darge- empfindlichen Halbleiterschalter mit, einer Durchstellt ist. bruchspannung aufweist, die von einer Temperatui

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abhängig ist, wobei der Schalter über den Kondensator mit einer Spannung beschickt wird. Beim Schließen eines Ein-Aus-Schalters erreicht die Kondensatorspannung die Durchbruchspannung, so daß der Halbleiterschalter leitend wird, um den Thyristor mit einem großen Zündwinkel einzuschalten, bei dem

(o

ein Strom über eine Last fließt. Sodann wird der Halbleiterschalter durch einen über die Last geschalteten Heizwiderstand erwärmt, um die Durchbruchspannung herabzusetzen und den Zündwinkel des Thyristors zu verkleinern, bis ein Dauerstrom über die Last fließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

909584/404

Claims

Λ tung im Sinne eines allmählich größer werdenden

Patentansprüche: ^ Stromnusses verändert wird. Die notwendige allmähliche Verstellung des Regelwiderstandes und die dall. Schaltungsanordnung zum stoßfesten Ein- zu erforderliche Steuerung ist jedoch sehr aufwendig, schalten einer Last mit einem in Reihe mit der 5 Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zuLast an eine Wechselstromqueile geschalteten gründe, eine Schaltungsanordnung mit Thyristor zum Thyristor, dadurch gekennzeichnet, stoßfreien Einschalten einer Last zu schaffen, die eine daß dem Thyristor (14) eine Reihenschaltung aus einfache Schaltkreiskonfiguration besitzt und besoneinem regelbaren Widerstand (18) und einem dere Mittel zur Steuerung eines Regelwiderstandes Kondensator (20) parallel geschaltet ist, daß ein io vermeidet

wärmeempfindliches Halbleiterschalterelement Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der

(24), das eine mit zunehmender Temperatur ab- eingangs genannten Art, ist diese Aufgabe erfindungsnehmende Durchbruchspannung besitzt, zwischen gemäß dadurch gelöst, daß dem Thyristor eine Reiden Verbindungspunkt von Widerstand (18) und henschaltung aus einem regelbaren Widerstand und Kondensator (20) und der Steuerelektrode des 15 einem Kondensator parallel geschaltet ist, daß ein Thyristors (14) geschaltet ist, und daß ein ther- wärmeempfindliches Halbleiterschalterelement, das misch mit dem Halbleiterschalterelement (24) ge- eine mit zunehmender Temperatur abnehmende koppeltes elektrisches Heizelement (26), das bei Durchbruchspannung besitzt, zwischen den Verbineinem Laststromfluß über die Last (12) elektrisch dungspunkten von Widerstand und Kondensator und erregbar ist, vorhanden ist ao der Steuerelektrode des Thyristors geschaltet ist, und
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- daß ein thennisch mit dem Halbleiterschalterelement durch gekennzeichnet, daß das elektrische Heiz- gekoppeltes elektrisches Heizelement, das bei einem element (26) durch einen dem Laststrom propor- Laststromfluß über die Last elektrisch erregbar ist, tionalen Strom erregbar ist vorhanden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 »5 Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thy- hat das Halbleiterschalterelement beim Einschalten ristor (14) ein Zweiweg-Thyristor und das wärme- eine hohe Durchbruchspannung und steuert daher empfindliche Halbleiterschalterelement (24) ein den Thyristor mit großem Zündwinkel. Dies begrenzt Halbleiterelement mit Durchbruchverhalten in den Einschalt-Strom auf einen niedrigen Wert. Der beiden Richtungen ist 30 einsetzende Stromfluß durch die Last führt zu einer
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 Erwärmung des elektrischen Heizelementes und des oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elek- mit ihm thermisch gekoppelten Halbleiterschaltertrische Heizelement (26) der Last (12) parallel elementes. Dadurch wird dessen Durchbruchspangeschaltet ist nung und entsprechend auch der Zündwinkel des
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 35 Thyristors kleiner; der Laststrom steigt allmählich an, oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß das wärme- bis ein stabiler, durch die Einstellung des regelbaren empfindliche Halbleiterschalterelement drei Halb- Widerstandes bestimmter Endwert erreicht ist. Das leiterschichten von einander abwechselndem Leit- stoßfreie Einschalten wird bei der erfindungsgemäßen fähigkeitstyp aufweist, die zwei pn-Übergänge Schaltungsanordnung mit außerordentlich einfachen festlegen. 40 Mitteln ohne Verwendung mechanisch zu verstellen-
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 der Teile und ohne eine aufwendige besondere Steue- oder 4, dadurch¹ gekennzeichnet, daß das wärme- rung erreicht.

empfindliche Halbleiterschalterelement (24) ein Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen

Zweiweg-Thyristor mit vier pn-Übergängen ist. aus den Unteransprüchen hervor.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 45 Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elek- schematisch dargestellten, bevorzugten Ausführungstrische Heizelement (26) so angeordnet ist, daß beispiels näher erläutert. In der Zeichnune zefrt

es die Temperatur an jedem pn-übergang ändert. F i g. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung

nach der Erfindung,