DE2444410A1

DE2444410A1 - In einer richtung wirkender unterbrecher

Info

Publication number: DE2444410A1
Application number: DE19742444410
Authority: DE
Inventors: Maurice Sauvannet
Original assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Current assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Priority date: 1973-09-17
Filing date: 1974-09-17
Publication date: 1975-03-27
Also published as: BE819905A; IT1021390B; FR2244309A1; US3995176A; GB1486598A; NL7412240A; FR2244309B1

Description

München 80 Mühldorfstraße 25

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Patentanwalt Dr.-Ing. R. Liesegang

SiLEC-SEMl-CONDUCTEURS
P 047 04

In einer Richtung wirkender Unterbrecher

Die Erfindung betrifft einen in einer Richtung wirkenden oder einsinnigen Unterbrecher für Wechselstrom, der über vollständige Halbwellen des Wechselstroms wirkt. Ein solcher Unterbrecher ist besonders für die Anwendung in über Halbwellenpaare oder volle Perioden wirkenden Steuervorrichtungen zweckmäßig, wobei mit "Halbwelle" in der folgenden Beschreibung ein Kurvenverlauf z.B. einer Spannung während einer Halbperiode bezeichnet ist.

Bei einer Schaltung mit einer Belastung zwischen den beiden Anschlüssen einer Wechselspannungsversorgung umfassen die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Steuern des Energieflusses in die Belastung im wesentlichen zwei Unterbrecherschaltungen. Bei bekannten Ausführungen umfaßt die erste Schaltung einen Thyristor, der durch eine externe Steuerung getriggert werden kann, um eine Halbwelle einer ersten Polarität

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durchzulassen, und eine zweite, automatisch wirkende Schaltung, um die folgende Halbwelle entgegengesetzter Polarität durchzulassen, nachdem die erste Schaltung eine Halbwelle durchgelassen hat. Bei diesen bekannten Vorrichtungen sind die Ausführungen, welche eine Triggerung der ersten Schaltung beim Nulldurchgang einer Halbwelle zulassen, allgemein kompliziert aufgebaut und oft ineffizient.

Infolgedessen ist Hauptaufgabe der Erfindung, einen Unterbrecher zum Durchlassen von vollständigen Halbwellen einer gegebenen Polarität zu schaffen, der einfach und billig ist.

Im Rahmen dieser Aufgabe ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Anwendung eines solchen Unterbrechers in einer Steuervorrichtung vorzusehen, die über Halbwellenpaare arbeitet.

Hierzu ist bei einem Unterbrecher der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit einer Leitungsrichtung von einer ersten zu einer zweiten Hauptelektrode und eine Steuerelektrode vorgesehen, welche triggerbar ist, wenn das Potential dieser Steuerelektrode eine entgegengesetzte Polarität zur ersten Hauptelektrode bezüglich der Polarität der zweiten Hauptelektrode hat, wobei die Steuerspannung für die Steuerelektrode von einer Speichervorrichtung erhalten und von dieser während einer Halbwelle entgegengesetzter Polarität zu derjenigen Halbwelle gespeichert wird, welche die Halbleitervorrichtung durchlassen soll. Eine solche Halbleitervorrichtung kann ein Thyristor mit Übergangsgitter sein, wobei die

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Übergangsschaltung dieses Thyristors insbesondere eine durch die negativen Halbwellen der Speisespannung beaufschlagte Kapazität aufweisen kann. Hierbei ergibt sich, daß der Thyristor zu Beginn der folgenden positiven Halbwelle getriggert wird. Diese Kapazitätkann daher als Speichervorrichtung aufgefaßt werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführung eines einsinnigen Unterbrechers für Wechselstrom, der über vollständigen Halbwellen wirkt, gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine mit Halbwelienpaaren arbeitende Steuervorrichtung mit einem Unterbrecher gemäß der Erfindung;

Fig. 3 die Art der Schaltungsverbindung eines Hauptunterbrechers, wobei der Unterbrecher gemäß der Erfindung als Steuervorrichtung verwendet ist, und

Fig. 4 und 5 zwei Ausführungsformen für Leistungsvariatoren mit Periodenzügen gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein einsinniger über vollständige Halbperioden wirkender Unterbrecher für Wechselstrom mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Bei dieser besonderen Ausführungsform soll die Schaltung 1 die positiven Halbwellen einer Wechselspannung V. in einer Belastung 2 unterbrechen oder durchlassen. Die Spannung V. ist zwischen den Anschlüssen F und A angelegt; die Belastung 2 ist zwischen den Anschlüssen F und E an-

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geordnet; und die Schaltung 1 ist zwischen den Anschlüssen F₇E und A vorgesehen, wobei die Anschlüsse B und E verbunden sind« Die Schaltung 1 umfaßt einen Thyristor 10 mit einem Übergangsgitter, dessen Anode an den Anschluß B und dessen Kathode an den Anschluß A angeschlossen sind. Zwischen den Anschlüssen F und A sind in Reihe eine Diode 11, ein Widerstand 12 und eine Kapazität 13 geschaltet, wobei der Leitungssinn der Diode derart ist, daß sie den Strom von A nach F durchläßt. Das Gitter des Thyristors 10 ist am Verbindungspunkt des Widerstandes 12 und der Kapazität 13 angeschlossen, wobei ein Widerstand 14 zwischen diesen Verbindungspunkt und das Gitter eingeschaltet sein kann. Parallel zur Kapazität 13 ist eine gesteuerte Unterbrecherschaltung 15 angeordnet, die einen Steueranschluß 16 aufweist. Vorzugsweise ist der gesteuerte Unterbrecher 15 ein PNP-Transistor, dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 12 und der Kapazität 13 verbunden ist, während sein Emitter mit dem Anschluß A verbunden ist, wobei die Steuerspannung an der Basis angelegt ist.

Ein Thyristor mit einem Übergangsgitter wird getriggert, wenn die Spannung an seinem Gitter entgegengesetzte Polarität zu seiner Anode bezüglich seiner Kathode hat. Mit anderen Worten ist zum Triggern des Transistors zum einen erforderlich, daß die Anodenspannung positiv bezüglich der Kathodenspannung ist, und zum anderen, daß die Gitterspannung niedriger als die Kathodenspannung ist, d.h. ein Strom vom Gitter abgezogen wird. Wenn somit zu Beginn einer positiven Halbwelle die Kapazität 13 vorher während der vorausgehenden negativen Halbwelle aufgeladen worden Ist, wird

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der Thyristor 10 getriggert. Wenn dagegen der Unterbrecher 15 während der negativen Halbwelle geschlossen gewesen ist, befindet sich das Gitter zu Beginn der folgenden positiven Halbweile auf dem gleichen Potential wie die Kathode, und der Thyristor 10 bleibt gesperrt. Wann auch immer der Schließzeitpunkt des Unterbrechers 15 sei,' beginnt der Thyristor 10 stets beim Nulldurchgang der Spannung zu leiten, der einer positiven Halbwelle vorausgeht. Bei dieser bevorzugten Ausführung ist die Verwendung eines Thyristors mit Übergangsgitter beschrieben. Dem Fachmann ist jedoch klar, daß jedoch auch eine analoge andere Vorrichtung anstelle des Thyristors mit Übergangsgitter verwendet werden kann, die durch Stromentnahme von der Steuerelektrode triggerbar ist.

Fig. 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel eines einsinnigen Unterbrechers, d.h. eines nur in einer Richtung arbeitenden oder leitenden Unterbrechers, für Wechselstrom, der

erhalten, über vollständige Halbwellen wirkt, um eine Steuervorrichtung mit Halbwellenpaaren zu Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung ist durch Zusammenschaltung der Schaltung nach Fig. 1 und einer Schaltung 3 gebildet. Diese Schaltung 3 umfaßt einen Thyristor 20, dessen Kathode mit dem Anschluß B und dessen Anode mit rUm Anschluß A verbunden sind, während das Gitter über eine Schaltung mit einer Diode 21, deren Anode mit dem Anschluß F verbunden ist, und einen Widerstand 22 sowie wahlweise einen Widerstand 24 mit dem Anschluß F verbunden ist. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 22 und 24 ist mit dem Anschluß E über eine Kapazität 23 verbunden. In dieser Schaltung sind wie in der vorher beschriebenen Schaltung die Anschlüsse B

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und E direkt verbunden. Während die Schaltung 1 eine vollständige positive Halbwelle in der Belastung 2 durchläßt, lädt sich die Kapazität 23 Über die Diode 21 und den Widerstand 22 auf. Darauf löst die Entladung der Kapazität 23 zu Beginn der folgenden negativen Halbwelle zum Gitter desThyristors 20 diesen aus und erhält die Leistung an der Belastung während der folgenden negativen Halbwelle aufrecht. Dies wiederholt sich, solange der gesteuerte Unterbrecher 15 offen ist. Es herrscht daher stets Leitung oder Nichtleitung des Unterbrechers, der durch die Gesamtheit der Schaltungen 1 und 3 gebildet ist, während zweier folgender vollständiger Halbwellen, nämlich einer positiven und einer negativen Halbwelle.

Bis hierher ist die Gesamtheit der Schaltungen 1 und 3 als mit der Belastung 2 in Reihe geschal teter Unterbrecher betrachtet worden.Wenn jedoch in der Belastung eine größere Leistung erreicht werden soll, kann ein Unterbrecher größeren Leistungsvermögens, z.B. ein Triac verwendet werden, für welchen die Gesamtholtder Schaltungen 1 und 3 dann eine Triggerschaltung für vollständige Perioden bildet.

Fig. 3 zeigt die Schaltungsverbindung eines solchen Triaes3ODie Schaltungen 1 und 2, die an den Anschlüssen A, B, E und F verbunden sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, haben eine zwischen den Anschlüssen B und E unterbrochene Verbindung. Die Anschlüsse A, und A2 des Triacs sind je mit den Anschlüssen E und A verbunden, während das Gitter mit dem Anschluß B verbunden ist. Diese Verwendung eines Triacs als Leistungsunterbrecher ist hier ausschließlich als Beispiel angegeben. Es können auch andere zweisinnige bzw. in zwei Richtungen wirkende gesteuerte Leistungsunterbrecher verwendet werden.

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Anhand von Fig. 4 soll nund die Möglichkeit einer automatischen Steuerung des ,einsinnigen Unterbrechers beschrieben werden, der über vollständige Halbwellen wirkt. Wenn eine Vorrichtung 3, wie sie anhand der Fig. 2 beschrieben ist, in Verbindung mit einer Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung verwendet wird, erhält man einen Leistungsvariator für oder über vollständige Periodenzüge bzw. - folgen. Gemäß der Ausführung nach Fig. 4 sind ein Widerstand und eine Kapazität 43 mit dem Widerstand 12 und der Kapazität 13 parallel geschaltet. Mit den Anschlüssen der Kapazität 43 ist eine Triggervorrichtung 41 verbunden, welche die Eigenschaft hat, leitend zu werden, wenn eine einen vorgegebenen Spannungswert v» überschreitende Spannung an ihren Anschlüssen angelegt wird.Ein Widerstand 44 und ein damit in Reihe geschaltetes Potentiometer 45 sind parallel mit der Kapazität 43 geschaltet. Der bewegliche Abgriff des Potentiometers 45 ist mit dem Anschluß 16 über eine Zenerdiode 46 einer Zenerspannung v» verbunden. Die Triggervorrichtung kann z.B. ein Diac sein.

Man erhält somit an den Anschlüssen der Kapazität 43 eine treppenförmige Spannung, die abrupt abfällt, wenn der Schwellwert v, der Triggervorrichtung erreicht ist.Die so erhaltene Spannung, deren treppenförmiger Verlauf sich mit konstanter Frequenz wiederholt, wird an den Anschlüssen der Schaltung 1 über das einstellbare Potentiometer 45 und die Zenerdiode 46 angelegt (die Zenerdiode kann durch jede beliebige andere SchwelI■ wertvorrichtung · ersetzt werden), und die Zenerdiode leitet, wenn die Spannung an ihren Anschlüssen größer als die Zenerspannung v« ist. Wenn also eine Spannung V.

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an die Vorrichtung angelegt wird, wird der Thyristor 10 mit Übergangsgitter nach der ersten negativen Halbweüe für die folgenden postiven Halbwellen leitend. Nach einer bestimmten Anzahl von Halbwellen ist die Kapazität 43 ausreichend aufgeladen,

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um die Zenerdiode 46 zu triggern und über den gesteuerten Unterbrecher 15 wird der Thyristor 10 gesperrt. Diese Sperrung bleibt aufrechterhalten, bis die Aufladung der Kapazität 43 einen Wert erreicht, der dem Schwellwert der Triggervorrichtung 41 entspricht. Durch Verändern der Einstellung des Potentiometers 45, des Triggerschwel I-

und
wertes der Triggervorrichtung 41,/der Zeitkonstanten der Aufladung der Kapazität 43 über den Widerstand 42 kann die Anzahl der passierenden vollständigen Halbwellen und die Anzahl der gesperrten vollständigen Halbwellen bestimmt werden.

Fig. 5 zeigteine andere Ausführung der Vorrichtung gemäß Fig. 4, in der die Schaltung gemäß der Erfindung mit einer Steuervorrichtung kombiniert ist. Der Thyristor 10 mit Übergangsgitter ist zwischen den Anschlüssen B und A angeordnet. Die Anschlüsse F und A sind über eine Diode 51, einen Widerstand 52, eine Kapazität 53 und eine Spannungsquelle V., welche zwischen den Anschlüssen A' und A angeordnet ist, verbunden, wobei eine Triggervorrichtung 41 parallel mit der Kapazität 53 angeordnet ist und die Diode 51 so gepolt ist, daß sie einen Strom von A nach F durchläßt. Das Gitter des Thyristors 10 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 52 und der Kapazität 53 über einen Widerstand 56 und eine Zenerdiode 57 verbunden. Außerdem ist ein Widerstand 58 zwischen den Anschluß F und den Verbindungspunkt des Widerstandes 56 und der Zenerdiode 57 eingeschaltet.

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Somit lädt sich die Kapazität 53 stufenweise bis zum Schwellwert des Auslösepunktes der Triggervorrichtung auf. Man erhält somit Stufen mit der Periodizität von η Perioden des Netzes (n ist durch die Auf'adekonstante der Kapazität 53 und die Auslösespannung der Triggervorrichtung bestimmt). Die Zenerdiode 57 (welche durch jede an Schwel Iwertvorrichtung ersetzt sein kann), hat eine Schwel I wertspannung v^. Auf diese Weise kann ein Entladestrom der Kapazität 53 über die Zenerdiode 57 und das Gitter des Thyristors 10 nur fließen,wenn man eine negative Spannung V. zwischen A' und A anlegt .-Durch Vergrößern dieser Spannung V. wird der Thyristor 10 zu Beginn der p-ten positiven Halbwelle, welche auf den Beginn der Aufladung der Kapazität 53folgt, ausgelöst, ebenso ^w'^{e zu} Beginn der n-p folgenden positiven Halbwellen. Aufgabe des Widerstandes 58 ist, jede Auslösung des Thyristors 10 während einer positiven Halbwelle zu vermeiden, wobei dieser Widerstand dazu dient, die Spannungslücken oder Spannungsmulden in der Spannungstreppe anzuheben, indem er eine Wellenspannung überlagert, welche den Absolutwert der negativen Spannung am Gitter des Thyristors 10 während der positiven Halbwellen vermindert. Die Einstellung der Anzahl n-p der durchgelassenen Perioden kann von Hand vorgenommen werden. Es genügt hierfür, die Steuerspannung V. durch einen variablen Widerstand 54 und einen dazu parallel geschalteten Kondensator 55 zu ersetzen; Außerdem kann die Einstellung der Werte für η und ρ durch Veränderung des Schwellwertes der Zenerdiode 57 oder der Triggervorrichtung 41 oder durch Veränderung der Widerstände 52 oder 54 oder schließlich durch Einstellung der Amplitude der an der Zenerdiode 57 angelegten Stufenspannung variiert werden.

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Im folgenden sei eine Zusammenfassung der wesentlichen Merkmale der Erfindung gegeben:

Zum Steuern des Durchganges von positiven Halbwellen einer Versorgungsspannung V. in einer Belastung 2, die in Reihe mit einem Thyristor 10 mit Ubergangsgitter geschaltet ist, schließt man eine Kapazität 13, einen Widerstand 12 und eine Diode 11 an die Anschlüsse der Speisespannung an. Somit lädt sich während der negativen Halbwellen die Kapazität 13 auf, und zu Beginn der jeweils folgenden positiven Halbwelle wird der Thyristor 10 mit Übergangsgitter leitend gemacht. Um den Thyristor 10 mit Ubergangsgitter nach einer negativen Halbwelle nicht auszulösen, ist ein gesteuerter Unterbrecher 15 parallel mit der Kapazität 13 geschaltet. Wenn dieser Unterbrecher 15 geschlossen ist, kann der Thyristor 10 nicht leitend gemacht werden. Die Erfindung wird mit Vorteil insbesondere auf Leistungsvariatoren für vollständige Periodenzüge oder -folgen angewendet.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

( Iy In einer Richtung über vollständige Halbwellen wirkender Unterbrecher für Wechselstrom, gekennzeichnet durch eine Halbleitervorrichtung (10) mit einer Leistungsrichtung von einer ersten zu einer zweiten Hauptelektrode, die mit einer Speise- und einer Belastungsschaltung verbunden sind, und einer Steuerelektrode, die triggerbar ist, wenn das Potential dieser Steuerelektrode eine entgegengesetzte Polarität zur ersten Hauptelektrode bezüglich der Polarität der zweiten Hauptelektrode hat, wobei die Steuerspannung für die Steuerelektrode von einer Speichervorrichtung (13) erhalten und von dieser während einer Halbwelle entgegengesetzter Polarität zu derjenigen Halbwelle gespeichert wird, welche die Halbleitervorrichtung (10) durchlassen soll.

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2* Unterbrecher nach Anspruch ] _f dadurch gekennzeichnet, daß die

Halbleitervorrichtung ein Thyristor (10) mit Ubergangsgitter ist, der positive Halbwellen einer Wechselspannung durchläßt, wenn sein Gitter negativer als seine Kathode bezüglich seiner Anode ist.

3. Unterbrecher nach Anspruch 2', dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor (10) mit den Anschlüssen einer Verbraucherschaltung verbunden ist, und daß sein Gitter über einen Widerstand (14) mit dem Verbindungspunkt eines Widerstandes (12) und einer Kapazität (13) verbunden ist, wobei die Kapazität (13) und der Widerstand (12) mit einer Diode (11) in Reihe geschaltet und an die Anschlüsse einer Versorgungschaltung angeschlossen sind und die Diode (11) zum Thyristor (10) invers polarisiert ist.

4- Unterbrecher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gesteuerter Unterbrecher (15) parallel mit der Kapazität (13) geschaltet ist, derart, daß der Thyristor (10) positive Halbwellen in die Verbraucherschaltung durchläßt, wenn der gesteuerte Unterbrecher (15) offen ist, und diese Halbwellen sperrt, wenn der Unterbrecher (15) geschlossen ist.

5« Unterbrechervorrichtung für Wechselstrom,die über Hai bwellenpaare wirkt, mit einem ersten in einer Richtung wirkenden Unterbrecher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen zweiten, in einer Richtung wirkenden Unterbrecher für die Halbwellen entgegengesetzter Polarität, der automatisch nach dem Leitendmachen des ersten Unterbrechers getriggert wird.

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O.Unterbrecher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zwischen das Gitter und eine Hauptelektrode eines Leistungsunterbrechers, wie eines Triacs, geschaltet ist, dessen Hauptelektroden mit den Anschlüssen der Verbraucherschaltung verbunden sind.

7. Leistungsvaria tor, der übervollständige Periodenzüge arbeitet, mit einem durch Halbwellenpaare gesteuerten Unterbrecher nach Anspruch 5-, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher durch negative Spannungsrampen gesteuert ist, die von einer Schwellwertvorrichtung abgegeben werden.

8. Leistungsvariator nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekenn· zeichnet, daß die Spannungsrampen unmittelbar durch Aufladen der Kapazität (13) gemäß Anspruch 3 erzeugt werden.

9* Leistungsvariator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß den negativen Spannungsrampen ein Teil der Netzspannung überlagert ist.

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