DE2702493B2 - Thyristor-Schalter mit einem über seine Steuerelektrode ausschaltbaren Thyristor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tyristorschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein über seine Steuerelektrode ausschaltbarer Thyristor unterscheidet sich von einem gewöhnlichen Thyristor darin, daß er durch Abziehen von Strom von seiner Steuerelektrode ausgeschaltet, also in den stromlosen Zustand gebracht werden kann.

Aus der US-PS 32 71 700 ist ein Thyristor-Schalter mit einem ausschaltbaren Thyristor bekannt, bei welchem die Anode des Thyristors mit einer Betriebsspannungsklemme, die eine Betriebsspannung führt, verbunden ist, während die Kathode über eine Last oder einen Verbraucher mit einer Bezugsspannungsklemme, z. B. Masse, verbunden ist. Die Steuerelektrode des ausschaltbaren Thyristors kann durch eine Schaltvorrichtung wahlweise an die Betriebsspannungsklemme oder die Masseklemme angeschlossen werden, um den Thyristor ein- bzw. auszuschalten.

Um das Ausschalten des ausschaltbaren Thyristors zu beschleunigen, ist bei der bekannten Schaltungsanordnung der Last ein Kondensator parallelgeschaltet.

Dieser Kondensator wird über die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors aufgeladen, während der Thyristor leitet, und über die Kathoden-Steuerelektroden-Strecke entladen, wenn der Thyristor ausgeschaltet wird.

Ein Problem besteht bei dieser bekannten Schaltungsanordnung darin, daß während der Ausschaltperiode ein Teil der im Kondensator gespeicherten Energie in der Last vernichtet wird. Hinsichtlich der Beschleunigung des Ausschaltvorganges ist diese Energie verschwendet und man muß daher bei der bekannten Schaltungsanordnung einen verhältnismäßig großen Kondensator verwenden, da dieser sowohl den Strom zur Beschleunigung des Abschaltvorganges als auch den in der Last verlorengehenden Strom liefern muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei dem Thyristor-Schalter gemäß der Erfindung ist dem Kondensator also ein unsymmetrisch oder in einer Richtung leitendes Bauelement mit solcher Polung in Reihe geschaltet, daß sich der Kondensator zwar über die Anoden-Kathoden-Strecke des ausschaltbaren Thyristors aufladen kann, während letzterer leitet, wohingegen eine Entladung des Kondensators durch die Last beim Sperren des Thyristors verhindert wird. Ein Punkt der Reihenschaltung ist mit einem Schaltungspunkt im Steuerkreis für die Steuerelektrode gekoppelt, um für den Kondensator beim Abschalten des Thyristors einen Entladestromweg über die Kathoden-Steuerelektrodenstrecke des Thyristors zu schaffen und das Abschalten zu beschleunigen. Gleichzeitig sperrt dabei das einseitig leitende Bauelement den Stromfluß zur Last. Der Verlust von im Kondensator gespeicherter Energie in der Last wird dadurch vermieden, so daß ein Kondensator kleineren Kapazitätswertes als bisher ausreicht, um die für eine vorgegebene Abschaltzeitververkürzung erforderliche Energie zu speichern oder mit einem Kondensator vorgegebener Kapazität eine höhere Beschleunigung des Abschaltvorganges erreicht werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Thyristorschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 ein Schaltbild einer Kraftfahrzeug-Zündanlage mit einem Thyristorschalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 enthält einen über seine Steuerelektrode ausschaltbaren Transistor 13, dessen Anode mit einer positiven Betriebsspannung + V verbunden ist, während seine Kathode an eine Verbindung zwischen einer Last 15 und einem Kondensator 17 angeschlossen ist. Die Steuerelektrode des Thyristors 13 ist mit einer Klemme 19 eines Schalters 21 verbunden. Die andere Klemme des Verbrauchers 15 und die Kathode einer Diode 23 sind an einen Bezugsspannungspunkt, im vorliegenden Falle Masse, angeschlossen. Die Anode der Diode 23 ist mit der anderen Klemme des Kondensators 17 und einem unteren festen Kontaktstück 25 des Schalters 21 verbunden. Ein oberes festes Kontaktstück 27 des Schalters 21 ist über einen Widerstand 29 an die positive Betriebsspannung + V angeschlossen.

Zum Einschalten des Thyristors 13 wird das mit der Klemme 19 verbundene bewegliche Kontaktstück des

Schalters 21 mit dem oberen Kontaktstück 27 verbunden, so daß der Steuerelektrode des Thyristors 13 die Betriebsspannung + Küber einen Widerstand 29 zugeführt wird. Der Übergang zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 13 wird dadurch in Flußrichtung vorgespannt, und der Thyristor 13 schaltet ein oder zündet, d. h. der Widerstand seiner Hauptstromstrecke wechselt von einem relativ hohen auf einen relativ niedrigen Wert. Dadurch kann Strom von der positiven Betriebsspannungsklemme + Vduich die Hauptstromstrecke und den Verbraucher 15 nach Masse fließen. Der Strom Hiebt außerdem durch den parallel zum Verbraucher 15 liegenden Schaltungszweig, nämlich die Reihenschaltung aus dem Kondensator 13 und der Diode 15, bis der Kondensator 17 voll aufgeladen ist. Die Spannung am Kondensator beträgt, wenn dieser voll aufgeladen ist, + V — (Vca + Vt), wobei Vca die Anoden-Kathoden-Spannung des Thyristors 13 und Vt den Flußspannungsabfall an der leitenden Diode 23 bedeuten. In der Praxis ist Vcv + VV grob gerechnet etwa 1 Volt. Wenn sich dei Kondensator 17 voll aufgeladen hat, hört der Strom auf, durch ihn und die Diode 23 zu fließen, und der gesamte Anoden-Kathoden-Strom des Thyristors fließt dann durch die Last 15.

Nachdem der Thyristor 13 durch das Anlegen einer positiven Spannung an seine Steuerelektrode eingeschaltet worden ist, kann die positive Spannung abgeschaltet werden, der Thyristor bleibt trotzdem im leitenden oder eingeschalteten Zustand. Wenn also der Thyristor 13 einmal eingeschaltet worden ist, kann das bewegliche Schaltstück des Schalters 21 wieder in die in F i g. 1 dargestellte neutrale Lage gebracht werden, ohne daß dies den Stromfluß im Thyristor 13 beeinflußt.

Zum Ausschalten des Thyristors 13 wird das mit der Klemme 19 verbundene bewegliche Schaltstück des Schalters 21 auf das feste Kontaktstück 25 umgelegt. Ein Teil des Anoden-Kathoden-Stromes des Transistors wird momentan durch den die Steuerelektrode des Transistors und die mit ihr in Reihe liegende Diode 23 abgeleitet. Der entsprechende Abfall des Anoden-Kathoden-Stromes leitet dann das Ausschalten des Thyristors ein. Der Kondensator 17 ist zu diesem Zeitpunkt mit der in der Zeichnung angegebenen Polarität aufgeladen. Diese Polarität ist so, daß die Diode 23 in Sperrichtung vorgespannt wird, so daß sich der Kondensator nicht durch die Last 15 e.ithden kann, was verhindert werden soll, wie oben erläutert wurde. Der Kondensator 17 entlädt sich statt dessen durch den die Kathoden-Steuerelektroden-Strecke des Transistors 13 enthaltenden Stromweg, wobei der Kathoden-Steuerelektroden-Übergang in Sperrichtung vorgespannt wird. Der Entladestrom des Kondensators 17 hat anfänglich einen relativ hohen Wert, da der Widerstand des Überganges zu diesem Zeitpunkt klein ist. Wenn der Thyristor 13 infolge des Fließens dieses Entladestromes zu sperren beginnt, nimmt die nichtlineare Impedanz Zcc des Steuerelektroden-Kathoden-Überganges schnell zu und setzt die Entladegeschwindigkeit des Kondensators 17 herab, bis der Thyristor 13 schließlich sperrt.

Ein wichtiges Merkmal der beschriebenen Schaltung besteht darin, daß wenn sich der Kondensator 17 nicht voll entladen hat, nachdem der Thyristor 13 gesperrt ist, was im allgemeinen der Fall ist, die auf dem Kondensator 17 verbleibende Ladung den Steuerelektroden-Kathoden-Übergang des Thyristors 13 dauernd in Sperrichtung vorspannt und dadurch einen gewissen Schutz gegen Störimpulse bildet und gewährleistet, daß der Thyristor 13 gesperrt bleibt. Normalerweise reicht diese Ladung jedoch nicht aus, das erneute Einschalten des Thyristors 13 zu verhindern, wenn der Schalter 21 wieder in die Stellung »EIN« gebracht wird. Mit anderen Worten gesagt ist + V %o viel größer als die etwaige Restspannung des Kondensators 17, daß beim Umschalten des Schalters 21 in die Stellung »EIN« ein Flußstrom durch den Steuerelektroden-Kathoden-Übergang fließt, der einen Anoden-Kat!ioden-Strom in der Hauptstromstrecke des Thyristors 13 fließen läßt.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der Schaltungsanordnung ist die Diode 23. Wie bereits erwähnt, wird diese Diode während c'er Entladung des Kondensators 17 in Sperrichtung voi gespannt. Dies verhindert jede Ableitung des Entlade^troms durch die Last 15. Mit anderen Worten gesagt steht der volle Entladestrom für die Unterstützung des Ausschaltens des Thyristors zur Verfugung, und dies gewährleistet ein rasches Sperren, insbesondere wenn die Lastimpedanz relativ klein sein kann.

Bei einer speziellen Schaltungsanordnung war es mit dem Kondensator 17 und der Diode 23 möglich, den Thyristor 13 bei Anoden-Kathoden- oder Last-Strömen von wesentlich mehr als 15 A zuverlässig auszuschalten. Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ermöglicht außerdem einen zuverlässigen Betrieb eines ausschaltbaren Thyristors mit hohen Strömen an einer Gleichstromquelle.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Last eine Spule enthält, welche beispielsweise einen Teil einer Autozündanlage bildet. Die Schaltungsanordnung enthält einen über seine Steuerelektrode ausschaltbaren Thyristor 31, dessen Anode mit einer positiven Leitung 33 und dessen Kathode mit einer Klemme eines Kondensators 35 sowie einer Klemme einer Primärwicklung 37 einer Zündspule 39 verbunden ist. Die andere Klemme des Kondensators 35 ist mit der Anode einer Diode 41 sowie

μ dem Emitter eines Transistors 43 verbunden. Die Kathode der Diode 41 und die andere Klemme der Primärwicklung 37 der Zündspule 39 liegen an Masse. Der Transistor 43 ist mit seiner Kollektorelektrode an die Steuerelektrode des Thyristors 31 und über einen Widerstand 45 mit der positiven Leitung 33 verbunden, während seine Basiselektrode über zwei in Reihe geschaltete Widerstände 47 und 49 an die positive Leitung 33 angeschlossen ist. Die Verbindung der Widerstände 47 und 49 ist mit einer Klemme eines Unterbrechers 51 verbunden, dessen andere Klemme an Masse liegt. Die positive Leitung 33 ist mit einer Klemme eines Schalters 53 verbunden, dessen andere Klemme an einer positiven Betriebsspannung + Vliegt. Die Zündspule 39 hat eine SekundärwicKlung 40, die eine Zündhochspannung an eine Ausgleichsklemme 42 liefert. Die Schaltungselemente 43, 45, 47 und 49 bilden einen durch den Unterbrecher 51 gesteuerten elektronischen Schalter, der der Schaltvorrichtung 21 und dem Widerstand 29 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1

M) entspricht. Ferner entspricht die durch die Primärwicklung 37 der Zündspule 39 der Zündanlage gebildete Kathodenlast der Last 15 in F i g. 1.

Die beschriebene Zündanlage wird durch Schließen des Zündschalters 53 in Betrieb gesetzt, durch das die

h> positive Spannung + Van die positive Leitung 33 gelegt wird. Beim Anlassen und Laufen des Motors tritt ein abwechselndes öffnen und Schließen des Unterbrechers 51 ein. Jedesmal wenn der Unterbrecher 51 schließt,

wird der Transistor 43 gesperrt. Die positive Spannung + V, die dann der Steuerelektrode des Thyristors 31 über den Widerstand 45 zugeführt wird, schaltet den Thyristor 31 ein. Es fließt dann ein Strom von der positiven Leitung 33 durch die Hauptstromstrecke des Thyristors 31 und die Primärwicklung 37 der Zündspule 39 und gleichzeitig lädt sich der Kondensator 35 wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 auf.

Jedesmal wenn der Unterbrecher 51 öffnet wird der Basis des Transistors 43 über die Widerstände 47 und 49 die positive Spannung + Vzugeführt und der Transistor dadurch eingeschaltet. Wenn der Transistor leitet, verbindet er die Steuerelektrode des ausschaltbaren Thyristors 31 über seine Kollektor-Emitter-Strecke und die Diode 41 mit Masse. Wie bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 wird im Augenblick des Einschaltens des Transistors 43 ein Teil des Anoden-Kathoden-Stromes des Thyristors 31 über dessen Steuerelektrode nach Masse geleitet und dadurch das Sperren des Thyristors eingeleitet. Danach wird die Steuerelektrode des Thyristors 31 auf einer Spannung gehalten, die über der Massespannung liegt, und gleich der Summe der Spannungsabfälle an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 43 und der Anoden-Kathoden-Strecke der Diode 41 (ein Diodenspannungsabfall gleich etwa 0,6 Volt) gehalten.

Der Kondensator 35 arbeitet genauso wie der Kondensator 17 der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1. Er kann sich nicht durch die als Last wirkende Primärwicklung 37 der Zündspule 39 entladen, sondern entlädt sich durch den die Kathoden-Steuerelektroden-Strecke des Thyristors 31 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 43 enthaltenden Stromweg und spannt dabei den Kathoden-Steuerelektroden-Übergang des Thyristors in Sperrichtung vor. Wie bei der Schiitungsanordnung nach Anspruch 1 fließt bei der Entladung anfänglich ein relativ starker Strom, der dann abnimmt, wenn der Thyristor 31 zu sperren beginnt. Im normalen Betrieb wird der Kondensator 35 wie der Kondensator 17 der Schaltung gemäß F i g. 1 einen Teil seiner Ladung behalten, also nicht voll entladen werden, wenn der Thyristor 31 gesperrt wird. Diese Restladung des Kondensators 35 spannt auch hier den Steuerelektroden-Kathoden-Übergang des Transistors 31 in Sperrrichtung vor und bildet dadurch einen Schutz gegen Störungen, d. h. daß die Vorspannung mithilft, zu verhindern, daß ein positiver Störimpuls an der Steuerelektrode des Thyristors 13 diesen wieder zündet.

Wenn der Thyristor 31 sperrt, wird in der Primärwicklung 37 gespeicherte Energie induktiv von der Primärwicklung 37 auf die Sekundärwicklung 40 übertragen, wobei in letzterer eine sehr hohe Spannung auftritt. Diese hohe Sekundärspannung steht an der Ausgangsklemme 42 zum Zünden einer angeschlossenen Zündkerze (nicht dargestellt).

Die Zündanlage gemäß Fig. 2, bei der die Primär wicklung 37 als Kathodenbelastung geschaltet ist, ha gewisse Vorteile gegenüber anderen elektronischei Zündanlagen, bei denen die Primärwicklung de Zündspule als Anodenbelastung eines ausschaltbarei Thyristors geschaltet ist. Zum Beispiel, wenn eini elektronische Zündanlage, bei der die Primärwicklunj der Zündspule als Anodenbelastung geschaltet ist, ii Betrieb genommen wird, ohne daß Zündkerzen mit de

ίο Ausgangsklemme der Sekundärwicklung der Zündspuli verbunden sind, kann der beim Sperren des ausschaltba ren Thyristors in der Primärwicklung auftretend! induktive Spannungsimpuls Werte bis zu 1200VoI annehmen und die Halbleiterschaltvorrichtung, z. B. dei ausschaltbaren Thyristor, durchbrennen. Ein solche: Durchbrennen kann eintreten, wenn die in de Primärwicklung induzierte Spannung über die maximall Vorwärtssperrspannung des Bauelements ansteigt. Un eine derartige Beschädigung des Thyristors in mi Anodenbelastung arbeitenden elektronischen Zündan lagen zu vermeiden, wird gewöhnlich eine Zenerdiodi zwischen die Anode und Masse geschaltet, die solchi Spannungsimpulse durch die Begrenzerwirkung de Zenerdiode auf sichere Werte herabsetzt. Bei de Zündanlage gemäß Fig.2 ist ein solcher Zenerdioden Schutz des Thyristors gegen Spannungen von de; Primärwicklung, die bei unbelasteter Sekundärwicklunj rückinduziert werden, nicht erforderlich. Dies hat zwe Gründe. Ersten wird die rückinduzierte Spannung vor der Primärwicklung durch die Überbrückungswirkunj des Kondensators 35, der in Reihe mit der Diode 41 dei Primärwicklung 37 parallelgeschaltet ist, erheblicl reduziert. Wenn also die Sekundärwicklung bein Sperren des Thyristors 31 unbelastet ist, wird also dk induzierte oder reflektierte Spannung von der Primär wicklung 37 durch den den Kondensator 35 und dii Diode 41 enthaltenden Stromweg nach Masse abgelei tet. Ferner dürfte die Schaltungsanordnung, die di< Kathoden-Steuerelektroden-Strecke des Thyristors 31 die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 43 um die Anoden-Kathoden-Strecke der Diode 41 enthält ebenfalls als Ableitstromweg für die reflektiert! Spannung wirken. Bei der Schaltung der Primärwick lung als Kathodenlast hat zweitens, was noch wichtige ist, die reflektierte Spannung eine solche Polarität, dal der Anoden-Kathoden-Übergang des Thyristors ii Sperrichtung beaufschlagt wird und diesen dadurch in gesperrten Zustand hält. Man kann also bei de Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ein Schalterele meni mit einer niedrigeren Nennsperrspannung ii Flußrichtung verwenden, wodurch die Schaltungsanord nung gemäß Fig. 2 zusätzlich zum Entfallen de Zenerdiode noch billiger wird als eine Schaltungsanord nung, bei der die Primärwicklung der Zündspule al:

Vi Anodenlast geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Thyristor-Schalter mit einem über seine Steuerelektrode ausschaltbaren Thyristor, dessen Anode an einem Betriebsspannung führenden Schaltungspunkt und dessen Kathode über eine Last mit einem Bezugspotentialpunkt verbunden ist, einem Steuerkreis, der mit der Steuerelektrode gekoppelt ist und dieser wahlweise Einschalt- oder Ausschaltsignale zuzuführen gestattet, und einem Kondensator, der mit seiner einen Klemme an die Kathode und mit seiner anderen Klemme an den Bezugspotentialpunkt angeschlossen ist und zur Beschleunigung des Ausschaltens des Thyristors dient, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (17, 35) zwischen seiner anderen Klemme und dem Bezugspotentialpunkt ein im wesentlichen nur in einer Richtung leitfähiges Schaltungselßment (23, 41) mit solcher Polung in Reihe geschaltet ist, daß sich der Kondensator beim Einschalten des Thyristors über diesen aufladen kann, eine Entladung des Kondensators durch die Last (15,39) beim Abschalten des Thyristors jedoch verhindert wird, und daß die andere Klemme des Kondensators mit einem Punkt der Steuerschaltung (21, 29; 43, 45, 47, 49, 51) so gekoppelt ist, daß sich der Kondensator beim Sperren des Thyristors (13, 31) über die Kathode-Steuerelektrodenstrecke des Thyristors und einen Stromweg im Steuerkreis unter Beschleunigung des Ausschaltens des Thyristors, ohne daß im Kondensator gespeicherte Energie in der Last verlorengeht, entladen kann.

2. Thyristor-Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (15, 37) zwischen die Kathode des Thyristors (13, 31) und den Bezugspotentialpunkt geschaltet ist.

3. Thyristor-Schalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Zündanlage, wobei die Last aus einer Primärwicklung einer Zündspule (39) besteht und der Steuerkreis (43 und 51) durch einen Unterbrecher steuerbar ist.