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Zweipol iges, beruhrungslos wirkendes Wechselspannungsscha ltgerdt
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Die Erfindung bezieht sich auf ein zweipolges, berührungslos wirkendes,
Wechselspannungsschaltgerat mit einem über eine Gleichrichterbrücke an die Last
angeschlossenen elektronischen Schalter, wie Thyristor oder Triac, bestehend aus
einem Oszillator und ggf. einer dem Oszillator nachgeschalteten Triggerstufe und
einer ZUndstufe für den elektronischen Schalter, einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung
der Betriebsspannung für das Schaltgerat und einer Schaltungsanordnung zum Löschen
eines Kurzschlusses.
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Bei einem derartigen Wechselspannungsschaltgerat ist zur Verwirklichung
einer wirksamen Kurzschlußsicherung eine Stromuberwachung im Lastkreis und eine
Strombegrenzung im Kurzschlußfall notwendig, weil nach der Abschaltung der Zundspannung
durch die Stromuberwachungseinrichtung innerhalb der anstehenden Peri der Wechselspannung
noch der volle Kurzschlußstrom durch den elektronischen Schalter fließt, bevor im
Nuildurchgang der Wechselspannung eine Abschaltung des elektronischen Schalters
erfolgt.
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Mit einer Strnmbegrenzungseinrichtung wird dieser Kurzschlußstrom
auf einen Wert herabgesetzt, den der lektronische Schalter ohne Gefahr der Zerstörung
schalten kann.
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Bei einem bekannten Schaltgerät der oben näher gekennzeichneten Art
besteht die Schaltungsanordnung zum Löschen eines Kurzschlusses aus einer Reihenschaltung
des elektronischen Schalters, eines Schutzwiderstandes und einer Gleichrichterbrücke.
Dabei ist parallel zum Schutzwiderstand ein sich im Kurzschlußfall über einen Gleichrichter
auf den Spannungsspitzenwert aufladender Kondensator geschaltet, der derart über
einen Entladewiderstand auf die Steuerstrecke eines Verstärkers einwirkt, daß dessen
Ausgang während eines Teils der Dauer der Kondensatorentladung das den elektronischen
Schalter leitendsteuernde Signal so beeinflußt, daß der elektronische Schalter nach
Beendigung der anstehenden Stromhalbwelle den Stromfluß unterbricht.
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Nach einer gewissen Zeit, die der Ladezeitkonstante des Kondensators
und des Ladewiderstandes entspricht, öffnet der elektronische Schalter wieder, wobei
der auf den Spitzenwert der am Schutzwiderstand anstehenden Kurzschlußspannung aufgeladene
Kondensator sich jedoch durch eine zwischengeschaltete Diode nur über den hochohmigen
Entladewiderstand entladen kann, der mit der Steuerelektrode des elektronischen
Schalters verbunden ist. Erst wenn sich nach einiger Zeit (t = R. C ) der Kondensator
soweit entladen hat, daß der Verstärker nicht mehr angesteuert werden kann, sperrt
dieser wieder und der elektronische Schalter erhält erneut Steuerspannung.
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Der in Reihe mit der Last liegende Schutzwiderstand soll in seinem
Wert einerseits klein genug sein, um im normalen Betriebsfall, also bei Nennstrom,
nicht zu stören, andererseits jedoch im Fall eines Kurzschlusses den Kurzschluß-
strom
auf einen Wert begrenzen,~den der elektronische Schalter ohne Gefahr der Beschädigung
während der Dauer einer Halbwelle schalten kann.
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Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung zum Löschen eines
Kurzschlusses ist relativ einfach im Aufbau, jedoch hinsichtlich des im Laststromkreis
. liegenden Schutzwiderstandes noch verbesserungsfähig.
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Bei der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung dient der Schutzwiderstand
gleichzeitig zur Stromüberwachung und zur Strombegrenzung. Bedingt durch diese Vereinigung
der Funktionen mit einem Widerstand muß der Schutzwiderstand relativ hochohmig sein
und ein großes Bauvolumen haben, um im Fall e;nes Kurzschlusses die Verlustleistung
aufnehmen zu können. Das bedeutet jedoch für die Funktion der Stromüberwachung mit
dem aufgrund der Strombegrenzung hochohmigen Widerstand im Lastkreis einen relativ
großen S pannungsabfa II am Schutzwiderstand bei Normalbetrieb N enn strom).
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Hat beispielsweise der Schutzwiderstand den fUr ein Schaltgerot der
eingangs beschriebenen Art gängigen Wert von 30so, dann ist der Spannungsabfall
bei einem Nennstrom von 500 mA eines gängigen Schützes gleich 15 Volt.
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Die untere Ansprechspannung des vorstehenden SchUtzes für 220 es liegt
z.B. bei 160 Volt. Unter Berücksichtigung der zulässigen Netzspannungsschwankung
von 15% gleich 187 Volt stehen bei Abzug von 15 Volt Spannungsabfall am Schutzwiderstand
und zusätzlich z.B. ca. 6 Volt Betriebsspannung für das Schaltgerät für die Last
(SchUtz) noch 166 Volt zur Verfügung.
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Dieser Wert liegt bereits an der unteren Grenze des Ansprechbereiches
eines gängigen Schutzes.
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Unter Zugrundelegung der vorstehend aufgezöhlten Spannungsverluste
versagt
jedoch bei einer Spannungsquelle von 24 Volt ~ jedes gängige
Schütz für 24Ve".
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Der feste Schutzwiderstand im Lastkreis hat neben des großen Bauvolumens
den Nachteil, daß bereits bei Nennstrom ein relativ hoher Restspannungsanteil am
Schaltgerat ansteht, der sich, wie vorstehend erläutert, um so ungünstiger auswirkt,
je niedriger die Spannung der Wechselspannungsquelle ist. Die vorstehend beschriebene
Kurzschlußsicherung ist deshalb nur für Schaltgeräte verwendbar, die mit engem Netzspannungsbereich
betrieben werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Löschen
eines Kurzschlusses zu schaffen, die einen geringen Restspannungsanteil hat und
für ein Schaltgerät mit einem großen Netzspannungsbereich, also für einen Bereich
zwischen einer sehr kleinen Spannung der Wechselspannungsquelle z.B. 24 Volt und
einer sehr großen Spannung der Wechselspannungsquelle, z.B. 250Volt, verwendet werden
kann. Dabei sollen gleichzeitig ein geringer Materialaufwand und ein geringes Bauvolumen
erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in Reihe
mit dem elektronischen Schalter ein Überwachungs-Widerstond und ein stromabhöng
iger Widerstand geschaltet sind, an denen bei Nennstrom eine vernachlässigbar kleine
Restspannung abfüllt und bei einem Kurzschluß an dem Überwachungs-Widerstand ein
auswertbarer Spannungsabfall entsteht, der ggf. über einem Verstärker und/oder einem
Schaltelement die Steuerspannung für den elektronischen Schalter abschaltet und
der stromabhöngige Widerstand sprunghaft seinen Widerstandswert erhöht und den Kurzschlußstrom
während der anstehenden Periode der Wechselspannung begrenzt. Bei dem erfindungsgemöß
ausgebildeten
Schaltgerdt sind somit die Stromüberwachung und die
Strombegrenzung voneinander getrennt und werden mit verschiedenen für den entsprechenden
Zweck einfachsten und geeigneten Bauteilen hergestellt.
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Dabei kann beispielsweise auf eine netzspannungsfeste Auslegung der
Strom-Uberwachungse inrichtung durch den Überwachungs-W iderstand sowie dem Verstärker
und dem Schaltelement verzichtet werden, da sie bei Nennstrom nicht belastet werden,
sondern nur im Kurzschlußfall durch die Restspannung am Überwachungswiderstand angesteuert
werden.
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Der Überwachungswiderstand kann so niederohmig sein, di ß beispielsweise
bei einem Kurzschlußstrom von 10 A der Spannungsabfall am Überwachungswiderstand
bei ca. 1 Volt liegt, dieser Spannungsabfall aber ausreicht, um ein Versturkerelement,
z.B. Transistor zum ZUnden eines Schaltelementes, z.B. Thyristor, anzusteuern, der
die Steuerspannung für den elektronischen Schalter kurzschließt. Der stromabhäng
ige W iderstand in Reihe mit dem Überwachungswiderstand ist im Normalfall, d .h.
bis maximaler Nennstrom ebenfalls so niederohmig, daß an ihm ebenfalls eine geringe
Restspannung von z.B. 1,5 - 2 Volt abfällt. Erst im Kurzschlußfall wird der stromabhöngige
Widerstand so hochohmig, daß der Kurzschlußstrom auf einen Wert begrenzt w;rd, den
der elektronische Schalter ohne Gefahr der Zerstörung für eine Periode der Wechselspannung
schalten kann.
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Durch diese Ausbildung läßt sich der Gesamtspannungsabfall eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Schaltgerätes wesentlich reduzieren. Der Spannungsabfall am Schaltgerät
besteht nunmehr praktisch außer fUr den Eigenbedarf von ca. 5 Volt für die Spannung
der Baugruppen des Schaltgerätes wie Oszillator, Trigger, ZUndstufe nur noch aus
den zu addierenden 1,5 - 2 Volt
am Strnmbegrenziingswiderstand.
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Bei dem gegebenen Gesamtspannungsabfall am Schaltgerät in der Größenordnung
bis ca. 7 Volt ldßt sich das erfindungsgemäß ausgebildete kurzschlußsichere Schaltgerdt
für einen Netzspannungsbereich zwischen 24 und 250 Volt einsefzen .
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Bauvolumen aufgrund der
niederohmigen Auslegung sehr klein gehalten werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung liegt der Überwachungswiderstand
im Kathodenkreis und der stromabhdnglge Widerstand im Anodenkreis des elektronischen
Schalters. Dadurch ist einerseits ein Massebezug der Steuerspannung des elektronischen
Schalters möglich,um die Steuerspannung kurzzuschließen und
im Kurzschlußfall am Eingang der Betriebsspannungsversorgung die volle Speisewechselspannung
an, damit die Betriebsspannung für das Schaltgerät auch während des Abschaltvorganges
der Steuerspannung aufrechterhalten wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besteht der stromobhängige
Widerstand aus einem mit der Kollektor-Emitter-Strecke im Lastkreis liegenden Transistor
entsprechender Spannungsfestigkeit und in Reihe mit einem Emittervorwiderstand dazu
parallel liegenden Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Diode, an dessen
Verknüpfungspunkt die Basis des Transistors angeschlossen ist.
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Durch diese Schaltungsanordnung ist bei einem Nennstrom von Null bis
Maximal der Widerstand sehr niederohmig, also fUr den Kreis nicht störend und steigt
bei Uberschreitung des Grenzwertes auf einen bestimmten Wert an, der bei einem Kurzschluß
des Lastwiderstandes bei der gegebenen Betriebs-
spannung nur einen
kleinen Kurzschlußstrom zuläßt. Dabei steuert der Basisstrom über den Basisvorwiderstand
den Transistorauf,so daß an der Schaltung nur eine kleine Restspannung abfällt und
der Nennstrom im wesentlichen bestimmt durch den Lastwiderstand und der Spannung
der Spannungsquelle fließen kann. Diese Restspannung wird gebildet durch den Spannungsabfall
am Basisvorwiderstand des Transistors, der Flußspannung der Basis-Emitter-Strecke
des Transistors und dem Spannungsabfall des im Lastkreis liegenden Emittervorwiderstandes.
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Überschreitet der Nennstrom einen gewissen Grenzwert, ist der Spannungsabfall
am Emittervawiderstand und damit an der Basis des Transistors so groß, daß die Diodenstrecke
leitend wird und bei weiterer Stromerhöhung fast keine weitere Basisstromerhöhung
zuläßt, also die Spannung an der Basis etwa konstant bleibt. Von nun an fließt durch
den Transistor etwa ein konstanter Stromanteil, wobei der Differenzwert des Stromes
allein durch die Reihenschaltcng von Basisvorwiderstand und Diode geführt wird,
so daß nun im Lastkreis eine höhere ohmsche Komponente, nämlich der Wert des Basisvorwiderstandes,
in Erscheinung tritt und schließlich bei Lastkurzschluß eine Strombegrenzung bewirkt.
Der max. fließende Kurzschlußstrom innerhalb einer Periode der Wechselspannung setzt
sich zusammen aus dem Strom, der durch den Basisvorwiderstand fließt und dem Nennstrom
durch den Transistor. Hat beispielsweise der Widerstand einen Wert von 50R , fließt
durch ihn bei einer max.
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Spitzenspannung von 350 Volt ein Spitzenkurzschlußstrom von 7A. Die
entstehende Verlustleistung vermag ein geeigneter Widerstand z.B. Drahtwiderstand
für die infrage kommende Zeit von max. 10 ms auch bei kleinen Abmessungen ohne weiteres
aufzunehmen.
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Zur Entlastung des hochsperrenden Transistors im Kurzschluí3moment
kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der annähernd konstante Stromfluß durch
den Transistor durch einen parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
angeordneten weiteren Widerstand aufgenommen werden, der so dimensioniert sein kann,
daß bei höchster Spannung der Spannungsquelle der Kurzschlußstromanteil des Transistors
voll übernommen wird. Damit wird die Leistungsspitze am Transistor weiter erheblich
reduziert.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist parallel zum Überwachungswiderstand
die Steuerstrecke eines Zündtransistors und die Steuerstrecke eines Thyristors in
Reihe geschaltet und die Anode des Thyristors an einem Punkt der Steuerspannung
des elektr. Schalters angeschlossen. Fällt am Überwachungswiderstand eine Spannung
ab, die größer ist als die Ansprechspannung des Zündtransistors und Zündspannung
des Thyristors, fließt ein Strom (36er den Kollektor des Transistors vom Anodenpotential
ins Gate des Thyristors.
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Ist der Thyristor gezündet, fällt das Anodenpotential zusammen und
es fließt ein Haltestrom, der die Zündspannung des elektronischen Schalters kurzschließt.
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Dieser Zustand bleibt solange erhalten, bis die Spannung am elektronischen
Schalter abgetrennt ist, bei der Beseitigung der Kurzschlußursache.
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Damit eine kurzzeitige hohe Störungs-Stromspitze im Netz die Kurzschlußeinrichtung
nicht ansprechen läßt, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung der Basis-Emitter-Stlecke
des ZUndtransistors ein Kondensator parallel geschaltet. Dieser Kondensator bildet
in Verbindung mit dem Ublichen Basisvorwiderstand am Zündtransistor eine Ansprechverzögerung
( . B. ca. 1 ms).
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Auf der Zeichnung ist der Aufbau und die Wirkungsweise eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Scha Itgerates, Fig. 2 eine schaltungstechnische Darstellung des stromabhängigen
Widerstandes (Strombegrenzung), Fig. 3 eine schaltungstechnische Darstellung der
Strom-Uberwachungseinrichtung mit dem Überwachungswiderstand.
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Das in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte berührungslos wirkende Wechselspeannungsscholtgerät
ist Uber insgesamt nur zwei Anschlußleitungen 4, 5 einerseits an eine Spannungsquelle
6 direkt und andererseits über die Last 7 angeschlossen. Als Last 7 dient in diesem
Fall ein Schaltschütz. Die Spannungsquelle 6 ist die Netzspannung, 220 Volt oder
ein Teil der Netzspannung. Zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Schaltgerät
liegt eine Gleichrichterbrücke 8.
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Im einzelnen besteht das elektronische Schaltgerät aus einem von außen
durch einen Gegenstand beeinflußbaren Oszillator 9. Durch Annäherung des Gegenstandes
an die aktive Zone des Oszillators 9, z.B. seiner offenen Schwingkreisspule oder
eines als offenen Kondensator ausgebildeten Elektrodenpaares, wird dem Oszillator
Energie entzogen, bzw. das RUckkopplungsverhdltnis so stark verändert, daß die Oszillatorschwingungsamplitude
oder die Frequenz beeinflußt werden. Diese Beeinflussung wird beispielsweise Uber
eine Triggerstufe 10, einem Schaltverstarker 11 und einer ZUndstufe 12 in ein Schaltsignal
verwandelt, das den elektronischen Schalter 13, einen Thyristor,
sperrt
oder leitend schaltet.
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Um den Oszillator 9 und die nachfolgenden Stufen 10, 11 und 12 mit
Energie zu versorgen, wird der elektronische Schalter 13 mit einem Phasenwinkel
größer als Null betrieben. Dadurch steht auch bei gesperrtem elektronischen Schalter
13 eine ausreichende Betriebsspannung fUr das Schaltgerät zur Verfügung. Diese Betriebsspannung
wird durch einen Regler 14, unabhängig von der Größe der Spannung der Spannungsquelle
konstant gehalten und in einem nicht dargestellten Kondensator auch für die " Leitendphase
" des elektronischen Schalters 13 gespeichert.
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Durch den Regler ist die Betriebsspannung speisespannungs- und lastunabhängig.
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Sie beträgt für alle Speisespannungen zwischen 24 und 220 Volttv z.B.
6 Volt.
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Der Regler 14 zur Stabilisierung der Betriebsspannung besteht aus
einem Transistor, der mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit dem Oszillator
parallel zum elektronischen Schalter 13 Uber die Gleichrichterbrücke 8 an die Spannungsquelle
6 angeschlossen und mit der Basis über eine Zenerdiode auf Bezugspotential liegt.
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DieSchaltungsanordnung zum Löschen eines Kurzschlusses besteht aus
einer Stromüberwachungsscha Itung 15 und einer Strombegrenzungsschaltung aus einem
stromabhangigen Widerstand 16. Im Kurzschlußfall schaltet die Strom-Uberwachungseinrichtung
15 innerhalb einer Periode der Wechselspannung die ZUndspannung des elektronischen
Schalters 13 kurz. Mit der Strombegrenzungseinrichtung 16 wird der nach dem Kurzschließen
der ZUndspannung wahrend der restlichen Periode der Wechselspannung noch durch den
elektronischen Schalter 13 fließende Kurzschlußstrom auf einen Wert begrenzt, den
der elektronische Schalter ohne Gefahr der Beschädigung schalten kann.
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Die StromUberwachungseinrichtung 15 liegt im Kathodenkreis des elektronischen
Schalters 13 und besteht aus dem Überwachungswiderstand 17, einem weiteren elektronischen
Schalter 18 einen Kleinspannungsthyristor und einem ZUndtransistor 19. Wie aus Fig.
3 der Zeichnung zu entnehmen ist, liegen die Steuerstrecken des ZUndtransistors
19 und des Thyristors 18 in Reihe und diese Reihenschaltung parallel zum Überwachungswiderstand
17, wobei die Anode des Thyristors 1 8 direkt mit der Steuerleitung des elektronischen
Schalters 13 verbunden ist.
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Im Kurzschlußfall fällt an dem Überwachungswiderstand 17 eine Spannung
ab, die der Flußspannung des Zundtransistors 19 und der ZUndspannung des Thyristors
18 entspricht. Es fließt ein Strom über den Kollektor des Transistors 19 vom Anodenpotential
ins Gate des Thyristors 18. Sobald der Thyristor 18 gezündet hat, fällt sein Anodenpotential
zusammen. Der Thyristor 18 zieht einen Haltestrom aos der Betriebsspannung und schließt
die Zündspannung kurz. Erst durch Abtrennen vom Netz kann dieser Zustand beseitigt
werden, d.h. nach Beseitigung der Kurzschlußursache. Durch diesen erwünschten Selbsthaltungseffekt
des Thyristors 18 ist es erforderlich, zunächst die Kurzschlußursache zu beseitigen,
bevor das Schaltgerat wieder betriebsbereit ist.
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Dies ist insoweit vorteilhaft, weil auf diese Weise Leitupgsschäden
und andere Störfaktoren festgestellt werden können.
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Parallel zur Basis-Emitter-Strecke von Transistor 19 liegt der Kondensator
20, der in Verbindung mit dem Basisvorwiderstand 21 eine Ansprechverzögerung bildet
und kurzeitige Stromspitzen (<1 ms) vom Netz löscht. Bei dem Widerstand 22 handelt
es sich um den Gate-Kathodenableitwiderstand, der
einen definierten
Thyristorbetrieb gewährleistet .
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Die Strombegrenzungseinrichtung liegt im Anodenkreis des elektronischen
Schalters 13 und wird gebildet aus dem stromabhängigen Widerstand 16.
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Dieser Widerstand besteht aus einem mit der KaI lektor-Emitter-Strecke
im Lastkreis liegenden Transistor 23, dessen Sperrspannung mindestens 350 V betragen
sollte Parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit dem Emittervorwiderstand
von Transistor 23 liegt die Reihenschaltung eines Widerstandes 24 und einer Diodenstrecke
25. An Punkt " A " dieser Reihenschaltung ist die Basis des Transistors 23 angeschlossen.
Ebenfalls parallel zur Kollektor Emitter-Strecke von Transistor 23 ist der Widerstand
26 geschaltet.
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Bei Nennstrom steuert der Basisstrom den Transistor 23 auf, so daß
an der gesamten Schaltung nur eine kleine Restspannung abfällt, die sich im wesentlichen
aus dem Spannungsabfall am Widerstand 24 der Flußspannung der Basis-Emitter-Strecke
von Transistor 23 und dem Spannungsabfall des Emitter-Vorwiderstandes 27 zusammensetzt.
Bei Überschreitung des Nennstromes wird die Diodenstrecke 25 leitend und läßt keine
weitere Basisstromerhöhung zu. Von diesem Zeitpunkt fließt durch den Transistor
nur noch der Nennstrom, wobei die Stromzunahme über den Widerstand 24 und der Diodenstrecke
25 geleitet wird. Damit ist im Lastkreis zusätzlich der Wert des Widerstandes 24
als ohmsche Last wirksam, die im Kurzschlußfull den Kurzschlußstrom aufnimmt. In
der Praxis reichen Widerstandswerte zwischen 25 - 100 n, aus, um den Kurzschlußstrom
auf max. ca. 7Ampere zu begrenzen.
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Diesen Strom kann ein hochwertiger Widerstand für die Dauer der hier
infrage
kommenden Zeit von 10 ms aufnehmen. Die Verlustleistung
des Transistors 23 kann in diesem Fall bei einer Spitzenspannung von 350 Volt zwischen
100 und 200 Watt liegen. Mit dem Widerstand 26 läßt sich diese Belastungsspitze
weiter abbauen. Der Transistor 23 und der Widerstand 26 stellen eine Parallelschaltung
eines variablen und eines festen Widerstandes dar, durch die stets nur der konstante
Anteil des Kurzschlußstromes fließt. Mit wachsender Kurzschlußspannung fällt am
Widerstand 26 auch eine höhere Restspannung ab, die einen höheren Stromfluß durch
den Widerstand 26 zur Folge hat. Bei entsprechender Dimensionierung von Widerstand
26 fließt bei der Spitzenspannung von z.B. 350 Volt schließlich der gesamte Kurzschlußstromanteil
des Transistors 23 durch den Widerstand 26. Im Endeffekt können damit die Leistungsdaten
des Transistors 23 der verringerten Lastspitze im Kurzschlußfall angepaßt werden.