DE2456130B2

DE2456130B2 - Steuervorrichtung fuer einen eine trigger-elektrode aufweisenden statischen schalter fuer wechselstrom oder gleichgerichtete wechselstromhalbwellen

Info

Publication number: DE2456130B2
Application number: DE19742456130
Authority: DE
Inventors: Guy Paris Dumas
Priority date: 1973-11-30
Filing date: 1974-11-27
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2456130A1; IT1030834B; FR2253326A1; US3955104A; BE821878A; GB1486623A; FR2253326B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen eine Trigger-Elektrode aufweisenden statischen Schalter für Wechselstrom oder gleichgerichtete Wechselstromhalbwellen, wobei der Schalter nur im Wechselspannungs-Nulldurchgang schaltbar ist, mit einer in einem an die Trigger-Elektrode angeschlossenen Steuerkreis liegenden Steuerwechselspannungsquelle mit gegenüber der Wechselspannung des Lastkreises hoher Frequenz zur Lieferung eines Triggerstromes für das Einschalten des Schalters.

Es ist eine Steuervorrichtung dieser Art bekannt (US-PS 36 63 950), bei welcher von der den Lastkreis speisenden Wechselspannung über einen Impulsformer, ein anschließendes Differenzierglied und ein damit angesteuertes mehrstufiges Flip-Flop ein als Multivibrator geschaltetes Gatterpaar derart angesteuert ist, daß eine Steuerrechteckspannung mit einer gegenüber der Wechselspannung des Lastkreises größeren Frequenz erzeugt wird, mit welcher die Trigger-Elektrode des statischen Schalters angesteuert wird.

Das mehrstufige Flip-Flop wird seinerseits von dem den Lastkreis schaltenden Schaltbefehl gesteuert, und der Beginn der Rechteckspannung des Multivibrators fällt daher immer mit dem Nulldurchgang der Wechselspannung des Lastkreises zusammen, d. h. de Lastkreis wird immer im Nulldurchgang dieser Wech selspannung geschaltet Diese bekannte Steuervorrich tung ist im Aufbau relativ aufwendig und damit aucl störanfällig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steuervor richtung dieser Art zu schaffen, die im wesentlicl geringerem Schaltungsaufwand trotzdem ein genaue: Schalten des statischen Schalters im Nulldurchgang dei Wechselspannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Steuervor richtung der eingangs erwähnien Art erfindungsgemä[ gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teil« des Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildunger dieser erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ergeber sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung wird also durch eine einfache, gesonderte Steuerwechselspannungsquelle und ein einfaches dazwischengeschaltetes Zweipolelement mit von der anliegenden Spannung abhängiger Kapazität, beispielsweise eine einfache Kapazitätsdiode, ein Steuerkreis geschaffen, der sehr genau den statischen Schalter im Bereich des Nulldurchgangs der Wechselspannung des Lastkreises schaltet und somit parasitäre Ströme im Lastkreis vermeidet. Ein derart einfach aufgebauter Steuerkreis mit wesentlich weniger Schaltelementen ist deshalb auch wesentlich stöi unempfindlicher. Die Steuerwechselspannung ist durch das Zweipolelement vom statischen Schalter vollständig entkoppelt, und die für den statischen Schalter erforderliche Steuerleistung kann auf ein Minimum beschränkt bleiben. Das Zweipolelement kann ferner sehr einfach an den Trigger-Eingang des statischen Schalters so angepaßt werden, daß es von Temperatur- und Umgebungseinflüssen weitgehend unabhängig ist.

Die E findung wird im folgenden an Hand der Figuren 1 bis 5 an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bestehend aus einem statischen Schalter in Form eines Thyristors 1, der mit seinen Anschlüssen a und b an die Anschlüsse 10 und 11 eines durch eine gleichgerichtete Wechselspannung gespeisten Lastkreises angeschlossen ist. Der Steuerkreis für den Thyristor 1, der zwischen dem Anschluß a und der Triggerelektrode g des Thyristors 1 angeschlossen ist, umfaßt eine Steuerwechselspannungsquelle 2 mit gegenüber der gleichgerichteten Wechselspannung des Lastkreises hoher Frequenz und ein Zweipolelement 3 mit in Abhängigkeit von der an ihm anliegenden Vorspannung veränderbarer Kapazität. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist hierfür eine Kapazitätsdiode 3 vorgesehen, die so geschaltet ist, daß sie den Strom in derjenigen Richtung sperrt, in welcher der Thyristor 1 getriggert wird. Die momentane Spannung an den Anschlüssen 10 und 11 sei V, die Steuerwechselspannung der Quelle 2 höherer Frequenz sei V]. Die Diode 3 verhält sich wie eine Kapazität der Größe C, die mit der Spannung V an den Anschlüssen entsprechend folgender Gleichung abnimmt

1 IX

wobei Q) die Kapazität der Diode 3 für V=O, Ko das elektrostatische Potent'al an der SDerrschicht iO.6 bis

3,9 Volt) und χ ein für die üblichen Dioden zwischen 2 und 3 liegender Exponent ist.

Die Steuervorrichtung nach Fig. 1 umfaßt ferner ein zwischen den Anschlüssen a und b angeordnetes Zweipolelement 4, das den Steuerstrom hoher Frequenz der Steuerwechselspannungsqaalle 2 über der Triggerelektrode des Thyristors 1 kurzschließt. Dieses Element kann durch eine oder mehrere in Reihe geschalteter Dioden, die antiparallel zum Zhyristor 1 geschaltet sind, oder aber durch eine einfache Kapazität gebildet sein. Bei -jinem praktischen Ausführungsbeispiel, bei welchem der Thyristor 1 in einem Zweig einer Gleichrichterbrücke angeordnet ist, deren anderer Zweig mit einem Wechseispannungs-Lastkreis verbunden ist, bilden die Dioden der Gleichrichterbrücke selbst dieses Zweipolelement 4. Die Steuerwechselspannungsquelle 2 kann von der gleichgerichteten und an den Anschlüssen 10 und 11 vorhandenen Wechselspannung über einen Transformator, einen Kondensato^r oder eine weitere Diode zwischen der Quelle 2 und dem Anschluß a getrennt sein, wobei einer weiteren Diode diese wie die Diode 3 geschaltet ict und durch die gleichgerichtete Wechselspannung gesperrt wird. Diese weitere Diode ist gegenüber dem Steuerkreis des Thyristors 1 in Reihe mit der Diode 3 geschaltet und spielt die gleiche Rolle wie diese.

Wenn mehrere Dioden π im Steuerkreis liegen und diese Dioden alle identisch sind und unter der weiteren vereinfachten Annahme, daß der innere Widerstand der Steuerwechselspannungsquelle 2 vernachlässigbar ist, läßt sich der in dem zwischen Triggerelektrode und Kathode gebildeten Steuerkreis des Thyristors 1 fließende Strom durch folgende Formel angeben:

C₀ ,„ V₁

Γ ^v° 1
L ν + v₀ J

l ix

wobei Vi die Amplitude und ω die Kreisfrequenz der Steuerwechselspannungsquelle 2 sind. Die Hochfrequenz der Steuerwechselspannungsquelle kann in der Größenordnung von MHz liegen und die Größe der Kapazität Q, in der Größenordnung von nur einigen Dutzend Pikofarad.

Der Thyristor 1 wird getriggert, wenn der Strom / über den Teil k der Kapazität C des Triggerelektroden-Kathoden-Übergangs des Thyristors 1 eine Spannung Vg erzeugt, deren Größe über einem gegebenen Schwellwert liegt (in der Größenordnung von etwa 0,6 Volt). Die Triggerung findet folglich nur für Werte der Spannung Vstatt, die kleiner als ein Schwellwert V₅ sind nach der Beziehung:

V_n

- Γ

~ L

nkC-, C₀

K - K

- 1

Aus dieser Formel ergibt sich, Haß die Schwellwertspannung V_s hauptsächlich von der Amplitude Vi der Steuerwechselspannung abhängt und daß somit über diese Steuerwechselspannung deshalb sehr einfach und genau der Triggerzeitpunkt im Nulldurchgang der Wechselspannung des Lastkreises eingestellt werden kann. Die Schwellwertspannung kann, wenn erwünscht, auch in der Umgebung dieser Nulldurchgänge liegen.

Das Zweipolelement 3 verhält sich wie ein Stromunterbrecher und wie eine niedrige oder hohe Impedanz für einen hochfrequenten Wechselstrom, je nachdem, ob über den dieses Zweipolelement durchfließenden Strom eine große oder kleine Spannung anliegt. Die Änderungsgeschwindigkeit der Größe der Impedanz in Abhängigkeit von der anliegenden Vorspannung bestimmt die Genauigkeit des Triggerzeitpunktes beim Nulldurchgang der Wechselspannung des Lastkreises.

Die Triggerelektrode und die Kathode des Thyristors 1 können z. B. auch noch zusätzlich durch einen Widerstand oder eine Diode geringerer Kapazität in Antiparallelschaltung verbunden sein, um so die auf die Kapazitäten der Dioden 3 und 4 durch die Lastkreisspannung angesammelten Ladungen abzubauen. Obige Formeln gelten exakt nur, wenn eine solche Diode mit geringer Kapazität zwischen den Anschlüssen g und b, nämlich mit der Anode am Punkt b und mit der Kathode an der Triggerelektrode g, angeschlossen ist, um die

Gleichrichterwirkung durch den Übergang g, b zu eliminieren. Wenn dagegen ein Widerstand mit einer Größe, die mit der Impedanz 1/(Γ₍ω vergleichbar ist, zwischen der Triggsrelektrode g und der Kathode b angeordnet ist, sind die angegebenen Formeln nicht mehr gültig. Es wurde jedoch festgestellt, da die auch für diesen Fall ermittelten Kapazitätswerte C₀ immer noch anwendbar sind. Das Vorhandensein dieses Widerstandes zwingt dazu, die Steuerspannung etwas zu erhöhen, was eine günstige Wirkung mit sich bringt, daß die Beeinflußbarkeit durch parasitäre Stromstöße verringert wird und die Werte des Schwellwertes Vs gleichmäßiger werden, wenn man einen Thyristor 1 und eine Diode 3 mit Streucharakteristik verwendet.

F i g. 2A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit verbesserter Trennung zwischen Steuerkreis und Lastkreis, wodurch vorzeitige Triggerungen des Thyristors 1 vermieden werden. Die Diode 3 ist mit ihrem einem Anschluß wieder an die Triggerelektrode g des Thyristors 1 angeschaltet und mit ihren anderen Anschluß einerseits über einen Widerstand 5 an die Anode a des Thyristors 1 und über einen Kondensator 6 an die Wechselspanriungsquelle 2. Der Widerstand 5 überträgt die Lastspannung zur Diode 3 und polt sie invers. Wenn somit die Steuerwechselspannungsquelk 2 eine geringe innere Impedanz besitzt, werden die Spannungsfronten zwischen a und b am Verbindungspunkt des Widerstandes 5 mit dem Kondensatoi 6 gedämpft und bleiben praktisch ohne Einfluß auf die Triggerelektrode des Thyristors 1.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 kann auch diese Schaltung nach F i g. 2A durch Hinzufügen von Trenn-Kondensatoren, Widerständen und Dioden ergänzt sein, um die Ladungen des Thyristors und der Dioden abzubauen. Insbesondere kann der Kondensator 6 durch eine Diode ersetzt sein, die durch die gleichgerichtete Wechselspannung des Lastkreises zwischen den Anschlüssen 10 und 11 invers polarisiert ist, wenn diese Wechselspannung größer als die Steuerwechselspannung der Quelle 2 ist.

Ein abgeändertes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2B, bei der die Diode 3 mit dem Kondensator 6 vertauscht ist. Die Diode 3 ist hier durch die Wechselspannung V des Lastkreises invers polarisiert, wenn diese größer als die Spannung Vi der Steuerwechselspannung der Quelle

do 2 ist. und direkt polarisiert, wenn Vi größer als der momentane .Spannungswert V ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Schwellwert für die Triggerung

Vs= V_t - V₁,

wobei V₁ eine Übergangsspannung von ungefähr 1 Voll ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Diode 3 von sehr geringer Kapazität verwendet werden.

Die Steuerwechselspannungsquelle 2 kann von beliebiger Bauart sein, besitzt vorzugsweise jedoch einen geringen Innenwiderstand. Sie umfaßt vorzugsweise einen Trenn-Transformator, dessen Sekundärseite mit dem Steuerkreis verbunden ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3A besteht der statische Schalter aus einem Triac, und das Zweipolelement 3 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Dioden mit entgegengesetzter Polarität, so daß jede dieser Dioden auf eine Halbwelle ohne Wirkung ist und für die andere Halbwelle die Wirkung einer variablen Kapazität besitzt. Das Zweipolelement 4 ermöglicht wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 den Kurzschluß der Steuerwechselspannungsquelle. Dieses Zweipolelement 4 kann durch zwei antiparallel geschaltete Dioden oder die Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität gebildet sein, eine bei solchen Triacs oft vorgesehene Schaltung, um parasitäre Spannungen zu dämpfen.

Fig.3B zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich dem nach F i g. 2A bzw. 2B, bei dem wiederum als statischer Schalter ein Triac verwendet ist und das Zweipolelement 3 mit veränderbarer Kapazität durch zwei in Reihe geschaltete Dioden mit entgegengesetzter Polarität gebildet ist.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 3A und 3B können an Stelle des Triacs auch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 31 und 32 nach Fig.3C verwendet werden, von denen einer ein üblicher Thyristor und der andere ein anodenseitig gesteuerter Thyristor ist, deren Triggerelektroden miteinander verbunden sind.

F i g. 4A zeigt ein weiteres abgeändertes Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Steuervorrichtungen nach Fig. 1 antiparallel zusammengschaltet sind, die direkt an die Anschlüsse 10 und 11 eines Wechselspannungs-Lastkeises angeschaltet sind. Die Kathode und die Triggerelektrode der Thyristoren 1 und Γ sind über Dioden 40 bzw. 40' geringer Kapazität miteinander verbunden, so daß diese Thyristoren 1 und Γ wechselweise gesteuert werden können. Die Triggerelektroden der Thyristoren sind mit der Steuerwechselspannungsquelle 2 über Dioden 3,3' verbunden.

Fig. 4B zeigt die Antiparallelschaitung zweier Steuervorrichtungen nach F i g. 2A ebenfalls zum Steuern einer Wechselspannung an den Anschlüssen 10 und 11 eines Lastkreises. Die Dioden 41 und 41' sind mit den Widerständen 5 und 5' in Reihe geschaltet Sie verhindern einen Stromdurchgang niedriger Frequenz durch die Widerstände 5 und 5', wenn die Polarität der Wechselspannung des Lastkreises sich umkehrt

Die Schaltung gemäß Fig.4B kann in der gleicher Weise abgewandelt sein wie nach Fig. 2B, d.h., e; können vor allem die Kondensatoren 6 und 6' mit der Dioden 3 und 3' vertauscht sein.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann auch zum Steuern zweier in Reihe geschalteter statischer Schalter verwendet werden, wie dies z. B. zum Übertragen höherer Wechselspannungen im Lastkreis erforderlich ist. In diesem Fall kann jeder statische

ίο Schalter getrennt gesteuert sein, oder es kann hierfür eine gemeinsame Schaltung vorgesehen sein.

Fig. 5 zeigt eine solche Anwendung der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung, bei der zwei in Reihe geschaltete Thyristoren 1 und Γ von einer gemeinsamen Steuerwechselspannungsquelle 2 gesteuert sind wobei der Thyristor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und der Thyristor 1' gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2B jeweils über dieselbe Diode 3 gesteuert wird. Ein Widerstand 52 und ein Kondensator 53 sind jeweils parallel zum Thyristor 1 und ein Widerstand 52' und ein Kondensator 53' in gleicher Weise parallel zum Thyristor Γ geschaltet. Die Anode des Thyristors Γ und die Kathode des Thyristors 1 sind an die eine Diagonale einer Gleichrichterbrücke 54 angeschlossen, deren andere Diagonale zur Steuerung eines in einem Lastkreis liegenden Triacs 55 dient. Die Diode 3 ist gesperrt, wenn die Spannung am Verbindungspunkt 56 der Thyristoren 1 und Γ hoch ist. Wenn diese Spannung unter die Amplitude Vi der Steuerwechselspannung abfällt, kann mit der höheren Frequenz direkt über die Diode 3 (über die Kapazität 53 und die Eingangskapazität des Thyristors 1) fließen und den Thyristor Γ triggern, im umgekehrten Sinne wird der Thyristor 1 getriggert Zusätzlich kann in Antiparal-

lelschaltung zum Triggerelektrodenübergang des Thyristors Γ noch eine Diode 51' geringe Kapazität geschaltet sein, um den Stromfluß zum Triggern des Thyristors 1 zu erleichtern. Die Triggerung des Thyristors 1 eröffnet also einen Strompfad mit geringer

Impedanz, um den Steuerstrom des Thyristors Γ kurzzuschließen. In gleicher Weise kann eine Diode mit geringer Kapazität 51 antiparallel über den Triggerelektrodenübergang des Thyristors 1 geschaltet sein. Ebenso können Widerstände parallel zur Triggerelektroden-

Kathoden-Strecke der beiden Thyristoren geschaltet sein, wie dies bei den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben ist.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann in analoger Weise natürlich auch bei Mehrphasen-Last-

kreisen angewendet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung für einen eine Trigger-Elektrode aufweisenden statischen Schalter für Wechsel- > strom oder gleichgerichtete Wechselstromhalbwellen, wobei der Schalter nur im Wechselspannungs-Nulldurchgang schaltbar ist, mit einer in einem an die Trigger-Elektrode angeschlossenen Steuerkreis liegenden Steuerwechselspannungsquelle mit ge- ίο genüber der Wechselspannung des Lastkreises hoher Frequenz zur Lieferung eines T.-iggerstromes für das Einschalten des Schalters, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vorgenannten Steuerkreis in Reihe mit der Steuerwechselspannungsquelle (2) ein Zweipolelement (3; 3') mit von der anliegenden Spannung abhängiger Kapazität angeordnet ist, das über einen von der Spannung über der Schaltstrecke des Schalters (1) beaufschlagten Stromkreis derart vorgespannt ist, daß seine für die hohe Frequenz wirksame Impedanz nur im Bereich des Nulldurchganges der Wechselspannung des Lastkreises klein genug zum Durchgang eines für das Einschalten des Schalters (1) !ausreichend großen Triggerstromes der Steuerwechselspannungsquelle (2) ist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zweipolelement eine Kapazitätsdiode (3) verwendet ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Zweipolelement (3) aus mehreren in Reihe geschalteten und entgegengesetzt polarisierten Dioden besteht (F i g. 3A und 3B).

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Zweipolelement (3; 3') ein Kondensator (6) in Reihe geschaltet ist und zwischen dem Verbindungspunkt dieser Reihenschaltung und dem Anschlußpunkt (10) der Schaltstrecke des Schalters (1) ein Widerstand (5) geschaltet ist.