DE2441501C3 - Schaltungsanordnung zum stoßfreien Einschalten einer Last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum stoßfreien Einschalten einer Last mit einem in Reihe mit der Last an eine Wechselstromquelle geschalteten Thyristor, dem die Reihenschaltung eines regelbaren Widerstandes und eines Kondensaturs parallel geschaltet ist, und mit einem zwischen dem Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator und der Steuerelektrode des Thyristors geschalteten Halbleiterschalterelement mit Durchbruchspannung.

Bekanntlich entstehen beim Einschalten oder Anfahren bestimmter elektrischer Lasten hohe Einschaltströme, so z. B. beim Einschalten von Lampen, Elektromotoren, elektrischen Heizgeräten u. dgl. Es ist bereits erwogen worden, zur Unterdrückung der ungünstigen Einschaltstromstöße einen Thyristor in Phasenanschnittsteuerung zu verwenden, dessen Zündzeitpunkt durch Verstellung eines Regelwiderstandes in einer zugeordneten Phasenschieberschaltung im Sinne eines allmählich größer werdenden Stromflusses verändert wird. Die notwendige alimähliche Verstellung des Regelwiderstandes und die dazu erforderliche Steuerung ist jedoch sehr aufwendig.

Aus dem Buch von Richter & Schippers »Thyristoren, Grundlagen und Anwendungen«, Freiburg 1971, Seite 44 bis 47 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die gemaß der Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art aufgebaut ist Diese bekannte Schaltungsanordnung dient zur Erzeugung von Zündfunken, zu welchem Zweck ein Speicherkondensator mit Hilfe eines Thyristors über die Primärwicklung einer Zündspule entladen wird. Die periodischen Zündimpulse für den Thyristor liefert hier ein aus einem ÄC-GIied und einer Triggerdiode bestehender Impulsgenerator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit Thyristor zum stoßfreien Einschalten einer Last der eingangs definierten Art zu schaffen, die eine einfache Schaltkreiskonfiguration besitzt und besondere Mittel zur Steuerung eines Regelwiderstandes vermeidet.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der ein-_2j gangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbleiterschalterelement eine mit zunehmender Temperatur abnehmende Durchbruchspannung besitzt und daß ein thermisch mit dem Halbieiterschalterelement gekoppeltes elektrisches Heizelement, das bei einem Laststromfluß über die Last elektrisch erregbar ist, vorhanden ist

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung hat das Halbleiterschalterelement beim Einschalten eine hohe Durchbruchspannung und steuert daher den Thyristor mit großem Zündwinkel. Dies begrenzt den Einschaltstrom auf einen niedrigen Wert. Der einsetzende Stromfluß durch die Last führt zu einer Erwärmung des elektrischen Heizelementes und des mit ihm thermisch gekoppelten Halbleiterschalterelementes. Dadurch wird dessen Durchbruchspannung und entsprechend auch der Zündwinkel des Thyristors kleiner: der Laststrom steigt allmählich an, bis ein stabiler, durch die Einstellung des regelbaren Widerstandes bestimmter Endwert erreicht ist. Das stoßfreie Einschalten wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit außerordentlich einfachen Mitteln ohne Verwendung mechanisch zu verstellender Teile und ohne eine aufwendige besondere Steuerung erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig.2a eine graphische Darstellung des zeitlichen Spannungsverlaufes am Thyristor und am Kondensator der Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

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

F i g. 2c eine graphische Darstellung der Größe der Durchbruchspannung des Halbleiterschalterelementes in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 über der Temperatur an seinem Halbleiterübergang.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung nach der Erfindung speist eine Wechselstromquelle 10 mit den Anschlußklemmen tOA und 10ß über einen

von Hand betätigbaren Ein-Aus-Schalter 11 eine Last 12, mit der ein Thyristor 14 in Serie liegt Parallel zum Thyristor ist eine Trigger-Schaltung 16 angeschlossen. Die Last 12 hat die Eigenschaft, bei unmittelbarer Anschaltung an eine Wechselstromqueile einen hohen Einschalt-Stromstoß zu bewirken.

Gemäß Fig. 1 ist der Thyristor 14 ein Zweirichtungs-Triodenthyristor mit zwei Hauptklemmen oder -polen 14 A und 14 B sowie einem Steuer- oder Gate-Pol 14 C. Der Hauptpol UA ist mit der einen Klemme WA der Stromquelle 10 verbunden, während der andere Hauptpol 14 B über die Last 12 mit der anderen Klemme 10 £ der Stromquelle 10 verbunden ist. Der Thyristor 14 ist daher, wie erwähnt, mit der Last 12 in Reihe geschaltet.

Bekanntlich kann ein Zweirichtungs- oder Bidirektional-Triodenthyristor 14 in seinen Durchschaltzusiand getriggert werden, wenn eine Spannung einer ersten Polarität anliegt, durch die sein Hauptpol 14/1 gegenüber seinem Hauptpol 145 positiv wird, und wenn eine Spannung mit einer zweiten Polarität anliegt, durch die sein Hauptpol 14 B gegenüber seinem Hauptpol 14/4 positiv wird. Wenn eine Spannung mit der ersten Polarität an den Hauptpolen 14 Λ und 14 B des Thyristors 14 anliegt, spricht dieser auf einen vom Gate-Pol 14 C zum Hauptpol 14 B fließenden Triggerstrom mit seinem Durchschalten an, während der Thyristor 14 bei einer Spannung mit der zweiten Polarität an den Hauptpolen IAA und 14 B mit Durchschalten auf einen Triggerstrom entspricht, der vom jo Hauptpol 14 B zum Gate-Pol 14 C fließt.

Gemäß F i g. 1 weist die Triggerschaltung 16 einen Regelwiderstand bzw. einen verstellbaren Widerstand 18, einen Kondensator 20 und ein allgemein mit 22 bezeichnetes wärmeempfindliches Element auf. Der Regelwiderstand 18 ist über den normalerweise offenen Schaltern an die eine KlemmeWA der Stromquelle 10 geschaltet, und er ist außerdem mit dem Kondensator 20 in Reihe geschaltet. Genauer gesagt, ist die eine Klemme 20 A des Kondensators 20 über den Regelwiderstand mit dem Hauptpol 14 A des Thyristors verbunden, während seine andere Klemme 2OB mit dem Hauptpol 14 B und weiterhin über die Last 12 mit der anderen Klemme 10 B der Stromquelle 10 verbunden ist.

Das auf Wärme ansprechende oder wärmeempfindliche Element 22 weist einen wärmeempfindlichen Halbleiterschalter 24, dessen eine Klemme 24 A mit der Klemme 20 A des Kondensators 20 und dessen andere Klemme 24 B mit dem Gate-Pol 14 C des Thyristors 14 verbunden ist, sowie ein als Widerstand 26 dargestelltes elektrisches Heizelement auf. Letzteres ist thermisch an den Halbleiterschalter 24 angekoppelt und über einen strombegrenzenden V.'iderstand 28 an die Last 12 angeschaltet.

Der wärmeempfindliche Halbleiterschalter 24 ist ein Halbleiterelement, das wiederholt in den Durchbruchbereich steuerbar ist. Bei der dargestellten Ausführungsform spricht dieses Element mit Durchbruch entweder auf eine Spannung mit einer ersten PoIarität, bei welcher die Klemme 24 A gegenüber der Klemme 24 θ positiv ist und die eine vorbestimmte Größe übersteigt, oder auf eine Spannung mit einer zweiten Polarität an, bei welcher die Klemme 24 B gegenüber der Klemme 24 A positiv ist und welche eine vorbestimmte Größe übersteigt. Genauer gesagt, ist dieser Schalter 24 ein Halbleiterelement mit drei-Iagigem pnp- oder npn-Aufbau, bei dem eine mittlere Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps schichtartig zwischen zwei äußere Halbleiterschichten des anderen Leittyps eingefügt ist, so daß dazwischen zwei pn-Ubergänge gebildet werden, und er weist Elektroden auf, die mit jeder der äußeren Halbleiterschichten in ohmschern Kontakt stehen. Bei diesen Elektroden handelt es sich um die Elektroden 24 A und 24B gemäß Fig. 1.

Wenn eine über den Halbleiterschalter 24 angelegte Spannung mit der genannten ersten oder zweiten Polarität eine vorbestimmte Größe erreicht, zeigt das Element 24 das Durchbruchverhalten und leitet zwischen den Klemmen 24 A und 24 B. Die Spannung, bei welcher der Durchbruch auftritt, wird als Durchbruchspannung Vβ ₀ bezeichnet. Derartige Halbleiter-Schalter sind unter der Handelsbezeichnung »DIAC« erhältlich. Wärmeempfindliche Halbleiterschalter dieser Art sind Zweirichtungs-Triggerdioden, deren äußere Hableiterschichten nebst zugeordneten Elektroden gegenüber der mittleren Halbleiterschicht symmetrisch ausgebildet und angeordnet sind, so daß die Durchbruchspannung bei der ersten Polarität bezüglich der Größe derjenigen bei der zweiten Polarität praktisch gleich ist.

Die Durchbruchspannung V_{B 0} hängt von der Temperatur an den zugeordneten pn-Übergängen ab, wie dies in F i g. 2 a dargestellt ist, in welcher die Durchbruchspannung V_Ba auf der Ordinate gegenüber der Temperatur T₁ am zugeordneten pn-übergang auf der Abszisse für einen wärmeempfindlichen Halbleiterschalter der genannten handelsüblichen Art aufgetragen ist. Wenn die Ubergangstemperatur T₁ fortlaufend auf Tj₁, T₁₂ und Τ,_Ά zunimmt, verringert sich die entsprechende" Durchbruchspannung V_Bo fortschreitend auf K_B01, V_Bo2 bzw. V_Bo3. Gemäß Fig. 2c bleibt außerdem die Durchbruchspannung V_Bo bei Temperaturen über dem Wert von T₁₃, die z. B. im Bereich von 60 bis 70° C liegen können, praktisch konstant. In F i g. 2 c gibt der Punkt T₁ , die Raumtemperatur an.

Das elektrische Heizelement bzw. der Heizwiderstand 26 ist derart thermisch mit dem Halbleiterschalter 24 gekoppelt, daß letzterer beim Einschalten dieses Elements erwärmt wird, so daß sich die Übergangstemperatur des Schalters 24 ändert. Wenn der Schalter 24 in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht ist, kann das Heizelement so angeordnet sein, daß es dieses Gehäuse von außen her erwärmt. Vorzugsweise ist das Heizelement jedoch im Inneren des Gehäuses angeordnet, um die thermische Ankopplung zwischen ihm und dem Schalter zu verbessern.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt: Vor und während des öffnens des Schalters 11 liegt dje Ubergangstemperatur T/ des wärmeempfindlichen halbleiterschalters auf Raumtemperatur T₁₁, so daß seine Durchbruchspannung den Wert V_Bol besitzt. F i g. 2 a veranschaulicht die Änderung der Spannung V'_s an der Stromquelle 10 sowie die Änderung der Spannung V_c am Kondensator 20 beim Schließen des Schalters. Wenn der Schaltern in seine Schließstellung gebracht ist, bewirkt die Stromquellenspannung mit der ersten Polarität, welche die Klemme 10/4 gegenüber der Klemme 10 B positiv werden läßt, die Aufladung des Kondensators 20 mit einer ersten Polarität. Folglich wird der Kondensator 20 so aufgeladen, daß die Klemme 20/4 gegenüber der Klemme 20 B positiv wird. Andererseits wird der Kondensator

20 durch eine Stromquellenspannung mit der entgegengesetzten Polarität mit einer zweiten Polarität aufgeladen, so daß die Klemme 20 B gegenüber der Klemme 20/1 positiv gehalten wird.

Im folgenden sei nunmehr angenommen, daß gemäß Fig. 2 a nach dem Schließen des Schalters 11 die Spannung V_c am Kondensator 20 eine Größe V_Bol der Durchbruchspannung V_Bu des wärmeempfindlichen Halbleiterschalters 24 mit einem der Stromquellenspannung V_s nacheilenden Phasenwinkel α, erreicht. Unter diesen angenommenen Bedingungen tritt Durchbruch im Halbleiterschalter 24 bei einem Phasenwinkel von a_t der Stromquellenspannung V_s auf, wobei die beiden Polaritäten dazu führen, daß der Thyristor 14 in seinen Durchschaltzustand getriggert wird. Infolgedessen besitzt der Thyristor 14 einen Zündwinkel, der in jeder Periode der Stromquellenspannung auf <*, gesteuert wird. Unter diesen Bedingungen fließt in jeder Halbperiode der Stromquellenspannung V₅ ein Laststrom l_L durch die Last, der die in F i g. 2 b durch den kreuzschraffierten Abschnitt dargestellte Wellenform / besitzt.

Es ist zu beachten, daß in jeder Halbperiode der Stromquellenspannung V_s mit der ersten Polarität das Zünden oder Durchschalten des Thyristors 14 durch einen Entladestrom von Kondensator 20 erfolgt, der über den Gate-Pol 14 C zum Hauptpol 14 B des Thyristors 14 fließt, wenn die Aufladespannung mit der ersten Polarität am Kondensator 20 die Durchbruchspannung V_Bm des Halbleiterschalters 24 erreicht und dessen Durchbruch bewirkt. In allen restlichen Halbperioden, in denen die Stromquellenspannung Vg die zweite Polarität besitzt, wird der Kondensator 20 mit der zweiten Polarität aufgeladen, bis die Spannung am Kondensator 20 die Durchbruchspannung — V_{B 01} des wärmeempfindlichen Schalters 24 erreicht und dessen Durchbruch hervorruft. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Entladestrom vom Kondensator 20 über den Hauptpol 14 B zum Gate-Pol 14 C des Thyristors, so daß dieser durchgeschaltet wird.

Andererseits erzeugt der durch die Last 12 fließende Laststrom I_L einen proportionalen Spannungsabfall an der I^ast 12 und dadurch einen dem Laststrom proportionaler Strom durch das elektrische Heizelement 26, wodurch dieses erwärmt wird. Hierdurch wird ein allmählicher Anstieg der Übergangstemperatur Tj des wärmeempfindlichen Schalters 24 hervorgerufen. Ersichtlicherweise ist der Laststrom l_L unmittelbar nach dem Schließen des Schalters 11 niedrig, weil der Zündwinkel Ct₁ des Thyristors 14 groß ist, so daß die Ubergangstemperatur T₁ des Halbleiterschalters 24 langsam ansteigt.

Gemäß F i g. 2 c nimmt die Durchbruchspannung V_Bo des Halbleiterschalters 24 bei Erhöhung seiner Übergangstemperatur T₁ ab. Hierdurch wird der Zündwinkel α, des Thyristors 14 allmählich verkleinert Infolgedessen erhöht sich der Laststrom I_L unter Erhöhung des über das elektrische Heizelement 26 fließenden Stroms. Dies führt zu einem weiteren Anstieg der Übergangstemperatur T₁ des Schalters 24. Wenn die Übergangstemperatur T-, den Wert T_{1 2} erreicht, fällt die Durchbruchspannung des Schalters 24 entsprechend auf V_B ^ ab. In diesem Fall erreicht die Spannung V_c am Kondensator 20 die Durchbruchspannung V_Bo2 des Halbleiterschalters 24 bei einer Phasennacheflung von a, hinter der Stromquellenspannung V_s. wobei O₂ kleiner ist als <*,. Mithin zündet der Thyristor 14 bei einem Zündwinkel von <x₂, der kleiner ist als der Zündwinkel α,, so daß der über die Last 12 fließende Laststrom I_L zunimmt, wie dies durch die Summe des kreuzschraffierten Bereichs I und des schraffierten Bereichs II in F i g. 2 b dargestellt ist.

Nachdem die Übergangstemperatur T-, des Schalters 24 weiter zugenommen und den Wert T_j3 erreicht hat, bleibt die Durchbruchspannung des Schalters 24

ίο auf dem praktisch konstanten Wert von V_Bos. Dies führt dazu, daß ein Dauerlaststrom über die Last 12 fließt, dessen Größe durch Einstellung des Widerstandswerts des Regelwiderstands 18 einstellbar oder änderbar ist.

Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Beispielsweise kann ein beim Einleiten eines Stromflusses über die Last auftretender Überstrom automatisch unterdrückt werden, ohne daß der Regelwiderstand 18 eingestellt zu werden braucht. Dies bedeutet, daß der Regelwiderstand 18 nur zur Einstellung der Größe des Dauerlaststroms geregelt zu werden braucht, so daß dieser Laststrom sehr einfach steuer- oder regelbar ist. Außerdem kann durch Änderung der thermischen Kopplung zwischen dem wänneemp-

findlichen Halbleiterschalter 24 und dem elektrischen Heizelement 26 oder durch Änderung der Größe des Widerstandswerts des mit dem Heizelement 26 in Reihe geschalteten strombegrenzenden Widerstands 28 der Thyristor 14 unabhängig von den Schaltungsparametern der Triggerschaltung 16 bezüglich einer Änderung seiner Zeitkonstante gesteuert oder geregelt werden, die zum Erreichen des Dauerlaststroms nach dem Schließen des Schalters 11 erforderlich ist.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einer einzigen bevorzugten Ausführungsform dargestellt und beschrieben ist, sind selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise kann der wärmeempfindliche Halbleiterschalter 24 durch einen Bidirektional-Diodenthyristor oder einen -Triodenthyristor ersetzt werden. Derartige Bidirektional-Thyristoren besitzen eine viertägige pnpn- oder npnp-Struktur mit vier pn-Übergängen bekannter Art.

Sie sprechen auf eine Spannung mit einer ersten Polarität, durch die einer der Hauptpole gegenüber dem anderen Hauptpol positiv wird und die eine vorbestimmte Größe erreicht, mit Durchbruch an, wobei die Impedanz zwischen den Hauptpolen von einem hohen auf einen niedrigen Wert umschaltet. Dies gilt auch für eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität. Bei diesen Thyristoren ist die Durchbruchspannung V_Be, ähnlich wie in Fig. 2c gezeigt, von der Übergangs-

temperatur T₁ abhängig. Außerdem kann an Stelle des Thyristors 14 ein Bidirektional-Triodenthyristor verwendet werden. In diesem Fall steuert der Thyristor 14 lediglich einen Laststrom, der von einer über der Stromquelle vorhandenen Spannung mit einer

vorbestimmten Polarität herrührt, so daß der wärmeempfindliche Schalter nur ein Halbleiterelement zu sein braucht, welches die Durchbrucherscheinimg nur bei der betreffenden Polarität besitzt, beispielsweise ein Einrichhings-Diodenthyristor. Gewünschtenfalls

kann der Anordnung gemäß F i g. 1 ein bekannter Schaltkreis zur Beseitigung der Hysterese des gesteuerten Ausgangs des Thyristors 14 hinzugefügt werden.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Schaltung zum Triggern eines Bidirektional-Thyristors mit einem durch eine Wechselstromquelle aufgeladenen Kondensator geschaffen, die einen wärmeempfiridlichen Halbleiterschalter mit einer Durchbruchspannung aufweist, die von einer Temperatur abhängig ist, wobei der Schalter über den Kondensator mit einer Spannung beschickt wird. Beim Schließen eines Ein-Aus-Schalters erreicht die Kon-

dcnsatorspannung die Durchbruchspannung, so daß der Halbleiterschalter leitend wird, um den Thyristor mit einem großen Zündwinkel einzuschalten, bei dem ein Strom über eine Last fließt. Sodann wird der Halbleiterschalter durch einen über die Last geschalteten Heizwiderstand erwärmt, um die Durchbruchspannung herabzusetzen und den Zündwinke] des Thyristors zu verkleinern, bis ein Dauerstrom über die Last Hießt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum stoßfreien Einschalten einer Last mit einem in Reihe mit der Last an eine Wechselstromquelle geschalteten Thyristor, dem die Reihenschaltung eines regelbaren Widerstandes und eines Kondensators parallel geschaltet ist, und mit einem zwischen dem Verbindungspunkt von Widerstand und Kondensator und der Steuerelektrode des Thyristors geschalteten Halbleiterschalterelement mit Durchbruchspannung, d a durch gekennzeichnet, daß das Halbleiterschalterelement (24) eine mit zunehmender Temperatur abnehmende Durchbruchspannung besitzt und daß ein thermisch mit dem Halbleiterschalterelement (24) gekoppeltes elektrisches Heizelement (26), das bei einem Laststromfluß über die Last (12) elektrisch erregbar ist, vorhanden ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (26) durch einen dem Laststrom proportionalen Strom erregbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (14) ein Zweiweg-Thyristor und das wärmeempfindliche Halbleiterschalterelement (24) ein Halbleiterelement mit Durchbruchverhalten in beiden Richtungen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (26) der Last (12) parallel geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Halbleiterschalterelement drei Halbleiterschichten von einander abwechselndem Leitfähigkeitstyp aufweist, die zwei pn-Übergänge festlegen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch pekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Halbleiterschalterelement (24) ein Zweiweg-Thyristor mit vier pn-Übergängen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Heizelement (26) so angeordnet ist, daß es die Temperatur an jedem pn-übergang ändert.