DE2707455B2

DE2707455B2 - Elektronischer Überstrom-Schutzschalter

Info

Publication number: DE2707455B2
Application number: DE2707455A
Authority: DE
Inventors: Kozo Tokyo Sato
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-02-23
Filing date: 1977-02-21
Publication date: 1981-03-12
Also published as: DE2707455A1; DE2707455C3; US4277811A; FR2341973B1; FR2341973A1

Description

Die Erfindung betrifft einen im Stromkreis zwischen einer Wechselspannungsquelle und einem Verbraucher liegenden elektronischen Überstrom-Schutzschalter, bestehend aus einer Diodenbrücke, deren Wechselspannungsanschlüsse mit der Wechselspannungsquelle bzw. mit dem Verbraucher verbunden sind, und deren Gleichspannungsanschlüsse über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors verbunden sind, dessen Basis mit einem Überstrom-Meßschaltkreis für die Erkennung eines im Stromkreis des Verbrauchers auftretenden Überstromes verbunden ist, mit einem in diesem Stromkreis vorgesehenen Stromwandler, wobei der Überstrom-Schutzschalter bei Überstrom durch Sperren des Transistors den Verbraucher von der Wechselspannungsquelle abschaltet.

Kommt es in einem eine Last speisenden Verbraucherstromkreis zu einem Kurzschluß oder einer ähnlichen Störung, dann fließt in diesem Verbraucherstromkreis ein Überstrom, der den Nennstrom um ein Vielfaches übersteigen kann und dadurch elektrisch und thermisch erhebliche Schilden herbeizuführen vermag. Zur Unterbindung solcher Schaden werden Überstromschutzschalter vorgesehen, die durch das Erfassen und Abschalten von Überströmen den Arbeitsstromkreis schützen. Üblicherweise sind diese Überstrom-Schutzschalter mit mechanischen Überstrom-Schaltelementen ausgestattet.

Diese mechanischen Überstrom-Schaltelemente besitzen zumindest ein Kontaktpaar je Phase, das von der Konstruktion her derart ausgelegt und ausgeführt ist, daß seine Kontakte mechanisch geschlossen und geöffnet werden können und durch ihr öffnen Überströme unterbrochen werden. Als Folge wiederholten Abschaltens unter Überlast haben sie nur eine kurze Lebensdauer, und ein sicheres Arbeiten über längere Zeiträume ist wegen der Abnutzung und des Verschleißes der mechanisch bewegten Teile nicht gewährleistet.

Während des Abschaltens des Verbraucherstromkreises entsteht weiterhin zwischen den sich voneinander lösenden Kontakten ein Lichtbogen, wodurch sich die Abschaltzeit noch vergrößert und die Schalthäufigkeit sehr klein wird. Zum Löschen des Lv ί^; ?ogens muß dem mechanischen Überstrom-Schaltelement eine Funkenoder Lichtbogenlöschvorrichtung zugeordnet werden, weiche die Abmessungen des Überstrom-Schutzschalters vergrößert.

Grundsätzlich ist es jedoch auch schon bekannt, mechanische Überstrom-Schaltelemente durch Halbleiterelemente zu ersetzen. So offenbart die US-PS 10 605 pulsgeneratorgesteuerte Thyristoren im Gleichstrompfad einer im Wechselstromkreis liegenden Brückengleichrichterschaltung. Die Zündimpulse für die Thyristoren werden bei Überstrom durch einen im Gleichstrompfad auftretenden Spannungsabfall unterdrückt.

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Aus der DE-AS Il 00 783 ist eine Schaltungsanordnung zur Strombegrenzung in einem gesättigten Transformator bekannt, die einen laststromgesteuerten Transistor als Überstrom-Schaltelement vorsieh!. Der im Gleichstromzweig einer im Primürkiiiis eines Transformators vorgesehenen Brückeng'eichrichterschaltung angeordnete Transistor w.rd über eine /weile, im Sekundiirkreis des Transformators angeordnete Brückengleichiichterschaltung gesteuert.

Bei den beiden genannten, mit Halbleitern ausgerüsteten Überstrom-Schutzschaltvorrichtungen muß es schon als nachteilig angesehen werden, daß die Überstrom-Meßschaltkreise mit den Laststromkreisen galvanisch gekoppelt sind. Die angegebene Verwendung von Thyristoren erlaubt ein Abschalten des Überstroms erst jeweils am Ende einer Halbperiode — damit gegebenenfalls stark vergrößert, während nach der DE-AS 11 00 783 keine vollkommene Ausschaltung, sondern nur eine starke Herabsetzung des Primärstroms bewirkt wird.

L· '<?„'/ Es wird auch als bekannt vorausgesetzt, daß f '^Optokoppler nicht nur zur Signalübertragung, sondern \lauch zur galvanischen Trennung von Schaltkreisen "eingesetzt werden. Bis heute haben diese Optokoppler "jedoch noch keine Anwendung in Überstrom-Mcßschaltkreisen gefunden (ASEA-Zeitscnrift 1971, Heft 2, Seite 37-40).

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Kompakten, ruhigen Überstrom-Schutzschalter ohne ,mechanische Teile als Halbleiterschaltung mit kurzen fSchaltzeiten und langer Lebensdauer zu schaffen, der (sich bei vollkommener galvanischer Trennung des jÜberstrom-Meßschaltkreises vom Verbraucherkr^is durch geringen schaltungstechnischen Aufwand und niedrige Kosten auszeichnet.

Ausgehend von der Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe dadurch !gelöst, daß der Überstrom-Meßschaltkreis einerseits durch den Stromwandler, andererseits durch eine zwischen ihm und einem Basisstromschaltkreis des Transistors vorgesehene Lichtübertragungsvorrichtung von dem Stromkreis des Verbrauchers galvanisch getrennt ist und auch mit einer speisenden Hilfsspannungsquelle nur durch einen isolierten Transformator verbunden ist.

Die Vorteile dieser Schaltung sind die vollständige .galvanische Trennung des Verbraucherstromkreises !vom Überstrom-Meßschaltkreis durch den Stromwandler, die Lichtübertragungsvorrichtung und den isolierten Transformator, der den Überstrom-Meßschaltkreis von der speisenden Hilfsspannungsquelle trennt. Außerdem ist ein schnelles, sofortiges Abschalten des Überstroms nach dessen Erkennen durch den Einsatz des Transistors gewährleistet.

Der Überstrom-Meßschaltkreis weist einen zweiten und dritten Transistor und eine erste Zenerdiode auf, die beim Fließen eines Überstroms im Verbraucherstrom- \kreis leitet und der Basis des zweiten Transistors vorgeordnet ist. Weiterhin ist eine zweite Zenerdiode mit einem Kondensator parallel geschaltet und zwischen dem Kollektor des zweiten und der Basis des d '*en Transistors vorgesehen. Eine Diode ist mit ihrer Kathode mit dei Basis des zweiten und mit ihrer Anode mit dem Kollektor der dritten Transistors verbunden und hält nach erfolgter Erregung des zweiten Transistors und nach Abfallen des Überstroms den besagten zv/eiten Transistor im leitenden Zustand. Der Aufbau hat sich bewährt, weil durch diese Schaltung,

ι. kennen des Überstroms, dieser sofort wirksam

abfe ,ehaltet wird und auch durch die Halteschaltung so lange abgeschaltet bleibt, bis ein Schalier manuell geöffnet wird und dadurch die Halteschaltung abfallen ·> läßt. Bevor wieder ein Strom im Lastslromkreis fließen kann, muß dieser Schalter wieder manuell betätigt und geschlossen werden.

Der Basisstromschaltkreis des ersten Transistors weist einen Kondensator aul, der durch den Spannungsabfall an einem ihm parallel angeordneten Widerstand peladen wird und beim Abschalten des Überstroms durch sein Potential die an der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors anliegende Spannung invertiert. D'ese Anordnung ist zweckmäßig, weil durch das Invertieren der Spannung die Basisladung des ersten Transistors sehr schnell ajsgeräumi wird und dieser dadurch schneller in den Sperrzustand schaltet.

D'c Lichtübertragungsvorrichtung weist eine im Betriebszustand leuchtende Leuchtdiode, welche beim Aultreten eines Überstroms ausgeschaltet wird, und einen durch das Licht der Leuchtdiode beeinflußten ^Fototransistor auf, der bei einfallendem Licht leitet, aber 'bei ausgeschalteter Lichtquelle gesperrt ist. Dieser Fototransistor ist mit der Basis eines weiteren Transistors verbunden, der der Basis und dem Emitter des ersten Transistors aufgeschaltet ist. Es empfiehlt sich, Bauelemente wie Leuchtdioden und Fototransistoren einzusetzen, weil diese die vollkommene galvanische Trennung des Überstrom-Meßschaltkreises vom Basisstromschaltkreis des ersten Transistors bewirkt, aber auch gleichzeitig die Signale schnell und sicher übertragen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 das Schaltbild für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überstrom-Schutzschalters, in
Fig.2 ein Kennlinien-Diagramm, bei dem die Abhängigkeit des .Stromverstärkungsfaktors eines Schalttransistors über dem Kollektorstrom und der Temperatur aufgetragen ist, in

F i g. 3 bis 5 Schaltbilder für erfindungsgemäße Ausführungen des Meßsignalaufnehmers, in

Fig.6 eine weitere erfindungsgernäße Ausführung der Schaltvorrichtung, und in

Fig.7 eine Überspannungshalbleiterschaltimg der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung.
Wie aus F i g. 1 zu erkennen ist, sind eine Wechsel-Spannungsquelle 10 und ein Verbraucher 11 über eine Schaltvorrichtung 12 in einer Einphasen-Wechseistromscbaltung miteinander verbunden. Zur Schaltvorrichtung 12 gehören die aus den vier Dioden 121,122,123, 124 bestehende Brückengleichrichterschaltung und ein Transistor 13, der als NPN-Transistor ausgeführt ist, und mit den Gleichstrom-Ausgangsklemmen der Brückengleichrichterschaltung verbunden ist. Das Basisstromjschaltkreis für den Transistor 13 ist mit der allgemeinen Hinweiszahl 14 gekennzeichnet. Zum Aufspüren und

Erfassen eines Überstromes, der von der Wechselspannungsquelle 10 aus im Verbraucherstromkreis durch den Transistor 13 zum Verbraucher 11 fließt, ist der Überstrom-Meßschaltkreis 15 vorgesehen, der ein Stromunterbrechungssignal auf den Basisstromschaltkreis 14 des Transistors 13 schaltet. Von der Hilfsspannungsquelle 300 wird dem Sasisstromschaltk.reis 14 und dem Überstrommeßsclialtkreis 15 eine Speisespannung aufgeschaltet.

Zum Basisstromschaltkreis 14 gehören die Widerstände 141,142 und 143, die mit dem Basis-Anschluß des Transistors 13 in Reihe geschaltet sind, wobei zu dem Widerstand 142 ein Kondensator 144 parallel geschallet (st. Zwischen dem vom Knotenpunkt des Widerstandes 141 und 146 abgewandten Anschluß des Widerstandes 141 und dem Emitteranschiuß des Transistors 13 besteht über den Transformator 301, über die aus den Dioden 302,303,304 und 305 bestehende Brückengieichrichterschaltung 306 und den Widerstand 141 eine Verbindung zur Hilfsspannungsqueile 300. Über diese Verbindung wird zwischen dem Basisanschluß und dem Emitteranschiuß des Transistors 13 eine Speisespannung aufgeschaltet, die von einem an den Gleichstromausgangsklcmmen der Brückengleichrichterschaltung 306 angeschlossenen Kondensator 307 geglättet wird. Zwischen dem Basisanschluß und dem Emitteranschiuß des Transistors 13 kann über die Widerstände 142 und 143 durch die Einwirkung eines weiteren Transistors 146 ein Kurzschluß herbeigeführt werden. Der Basis- und Emitteranschiuß des Transistors 145 sind über einen Widerstand 146 und eine Diode 147 mit den Gleichstromausgangsklemmen der Brückengleichrichterschaltung 306 verbunder, wobei der Basisstrom für den Transistor 145 von der Hilfsspannungsqueile 300 zugeführt wird. Der Fototransistor 148 kann zwischen dem Basisanschluß und dem Emilteranschluß des Transistors 145 ein Kurzschließen herbeiführen.

Dem Überstrom-Meßschaltkreis 15 ist ein Stromwandler 151 zum Aufspüren und Messen des im Verbraucherslromkreis fließenden Überstromes zugeordnet. Der sekundärseitige Ausgangsstrom dieses Stromwandlers 151 ist der Größe des Überstromes proportional. Zum Überstrom-Meßschaltkreis 15 gehören weiterhin die aus den vier Dioden 152, 153,154 und 155 bestehende Brückengleichrichterschaltung 156 und ein Stellwiderstand 157 zum Einstellen der an ihm abfallenden zu messenden Spannung, auf dessen Anschlüsse »H« und »L« die Brückengleichrichterschaltung 156 geführt ist. Der zum Stellwiderstand 157 gehörende Anschluß »C« steht über eine Diode 158. über eine erste Zeiierdiode li>9 und über einen Widerstand 160 mit dem Basisanschluß eines zweiten Transistors 161 in Verbindung, während der Anschluß »L« des Steilwiderstandes 157 mit dem Emitteranschiuß des zweiten Transistors 161 gekoppelt ist. Der Emitter- und der Koliektoranschluß des Transistors 161 sind über einen isolierten Transformator 108 eine Brückengleichrichterschaltung 313. die aus den Dioden 309, 310, 311 und 312 besteht sowie über einen Widerstand 162 auf die Hilfsspannungsqueile 300 geführt. Bei dem Kondensator 314 handelt es sich um einen Glättungskondensator.

Weiterhin ist auch ein Transistor 164 über den Widerstand 163 auf die Gleichstromausgangsklemmen der Brückengleichrichterschaltung 313 geführt. Darüber hinaus wird mit dem Schalter 400 zuerst der Kollektor- und der Emitteranschiuß eines dritten Transistors 165 über einen Widerstand 166 mit den Gleichstromausgangsklemmen der Brückengleichrichterschaltung 313 verbunden. Der Kollektor- und der Emitteranschiuß des Transistors 167 sind ebenfalls über den Schalter 400, einen Widerstand 168, ein Relais 169 und eine Leuchtdiode 170 mit den Gleichstromausgangsklemmen der Brückengleichrichterschaltung 313 gekoppelt. Das bedeutet, daß dem zweiten Transistor 161 und dem Transistor 164 die Kollektorströme von der Brückengleichrichterschaltung 313 aus direkt, dem dritten Transistor 165 und dem Transistor 167 aber über den Schalter 400 zugeführt werden. Die Leuchtdiode 170 ist optisch mit dem Fototransistor 148 der Basisschaltung 14 gekoppelt. Wenn die Leuchtdiode 170, weil ihr eine ■> Spannung aufgeschaltet wurde, leuchtet, wird das von ihr abgestrahlte Licht vom Fototransistor 148 aufgenommen, der sich dann im Durchlaßzustand befindet. Über eine Parallelschaltung, die aus einer zweiten Zenerdiode 171 mit parallel geschaltetem Kondensator

ι« 172 und einem dazu in Reihe geschalteten Widerstand 173 besteht, steht der Kollektoranschluß des zweiten Transistors 161 und der Basisanschluß des dritten Transistors 165 in Verbindung. In ähnlicher Weise, nämlich über die Parallelschaltung aus der zweiten Zenerdiode 171 und dem Kondensator 172 und dem dazu in Reihe geschalteten Widerstand 174 sind der Kollektoranschluß des zweiten Transistors 161 und der Basisanschluß des Transistors 164 miteinander verbunden. Darüber hinaus besteht auch eine Verbindung zwischen dem Emitteranschiuß des Transistors 164 und dem Basisanschluß des Transistors 167, die über den Widerstand 175 führt. Weiterhin ist der Kollektoranschluß des dritten Transistors 165 über eine Diode 176 auf den Anschlußpunkt zwischen der ersten Zenerdiode 159 und der Diode 158 geführt. Mit der allgemeinen Hinweiszahl 169a ist ein Kontakt des Relais 169 gekennzeichnet, der schaltungsmäßig im Primärstromkreis des isolierten Transformators 301 angeordnet ist.
Nachstehend soll der Schall- und Stromunterbre-

jo chungsvorgang des als Halbleiterschaltung ausgeführten Überstrom-Schutzschalter, dessen Konstruktion zuvor erörtert worden ist, beschrieben werden. Zunächst einmal wird von der Hilfsspannungsqueile 300 aus der Glättungskondensator 314 des Überstrom-Meß-

J5 Schaltkreises 15 in der dargestellten Polarität aufgeladen und dadurch eine stabile Speisespannung aufgebaut. Diese geglättete Spannung wird über den Widerstand 162. den Kondensator 172, die zweite Zenerdiode 171. den Widerstand 174 und den Widerstand 163 zwischen

•to den Basisanschluß und den Emitieranschluß des Transistors 164 angelegt, der dann in den Durchlaßzustand schaltet. Das hat wiederum zur Folge, daß zwischen dem Basis- und dem Emitteranschiuß des Transistors 167 eine Spannung aufgeschaltet wird. Wird

4Ί ίπ diesem Zustand der Schauer 400 geschlossen, so hat das zur Folge, daß der Transistor 167 leitet, daß das mit dem Transistor 167 in Reihe liegende Relais 169 vom Strom durchflossen wird und anzieht, daß der Kontakt 169a geschlossen wird und dadurch die Steuerspannung dem Basisstromschaltkreis 14 aufgeschaltet wird. Sowie das Relais vom Strom geschlossen wird, leuchtet die Leuchtdiode 170 auf. was wiederum dazu führt, daß der Fototransistor 148 in dem Basisstromschaltkreis 14 leitend wird und dann seinerseits den Basis- und den Emitteranschiuß des Transistors 145 kurzschließt, der dadurch in den Sperrzustand schaltet. Nun wird die geglättete Spannung über die Widerstände 141,142 und 143 sowie über den Kondensator 144 zwischen dem Basisanschluß und dem Emitteranschiuß des Transistors angelegt, wodurch dieser leitend wird, so daß dann von der Wechselspannungsquelle 10 aus über die Schaltvorrichtung 12 und über den Transistor 13 ein Strom zum Verbraucher fließen kann.
Zur Unterbrechung des zum Verbraucher 11 fließen-

tn den Stromes wird der Schalter 400 geöffnet, woraufhin kein Strom mehr durch die Leuchtdiode 170 und das Relais 169 fließt. Das hat zur Folge, daß der Fototransistor 148 in den Sperrzustand schäkel, der

-^wwr-

Transistor 145 leitend wird, das durch das Kurzschließen des Emitters und der Basis des Transistors 13 dieser in den Sperrzustand gebracht wird und dadurch den yerbraucherstromkreis öffnet. Das Relais 169 fällt ab und sein Kontakt 169a öffnet sich nach einer mechanisch bedingten Abschaltverzögerung, wodurch ■dann die von der Hilfsspannungsquelle 300 dem Basisstromkreis 14 aufgeschaltete Speisespannung : vollständig abgeschaltet wird, Und der Transistor 145 in den Sperrzustand schaltet. Bleibt bei Vorliegen dieses Schaltzuständes der Schalter 400 geöffnet, dann wird der Leuchtdiode 170' kein Strom zugeführt und der Fototransistor 148 bleibt im Sperrzustand. Damit wird,

· wenn der Kontakt 169a irrtümlich geschlossen wird, der Transistor i45 in den Durchlaßzustand geschaltet und 4der Transistor 13 verbleibt somit im Sperrzustand, so

'■Jdaß eine irrtümliche Stromzuführung zum Verbraucher ^verhindert wird.

¹ Nachstehend soll der Stromunterbrechungsvorgang für den Fall beschrieben werden, daß im Verbraucher-Stromkreis ein Überstrom fließt. Kommt es dann, wenn der Schalter 400 geschlossen worden ist und dem .Verbraucher in der bereits vorbeschriebenen Weise 'Strom zugeführt wird, zu einer kyzschlußbedingten Störung, dann ist die Stärke des im Verbraucherstrom-(kreis fließenden Stromes gleich dem Basisstrom des Transistors 13 multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor »hfe«. Dieser Überstrom wird vom Stromv/andler 151 aufgeführt und gemessen, v/obei der Sekunda rseitige Ausgangsstrom des Stromwandlers 151 der Stärke des Überstromes proportional ist. Dieser vom Stromwandler 151 sekundärseitig abgegebene Strom wird in der Brückengleichrichterschaltung 156 gleichgerichtet und dann der· Stellwiderstand 157 aufgeschaltet, wo er einen Spannungsabfall erzeugt.

Ein Überstrom-Vergleichswert wird dadurch festgelegt, daß die Größe des Widerstandes zwischen den Anschlüssen »C« und »L« des Stellwiderstandes 157 eingestellt wird. Die zwischen den Klemmen »C« und »L« des Stellwiderstandes 157 anliegende Spannung wird über die Diode 158 der ersten Zenerdiode 159 aufgeschaliet, welche beim überschreiten der Zenerspannung leitend wird, wodurch dann ein Basisstrom -über den Widerstand 160 dem zweiten Transistor !61 zugeführt wird; der in den Durchlaßzustend schaltet. Vom Transistor 161 wird der Stromkreis zwischen dem Basis- und dem Emitteranschluß des dritten Transistors 165 kurzgeschlossen und dieser dadurch in den Sperrzustand geschaltet. Auch die Kollektorspannung des dritten Transistors 165 wechselt vom Schaltzustand »0« in den Schaltzustand »i«, so daß von der Hilfsspannungsquelle 300 über die Diode 176, die Zenerdiode 159 und über den Widerstand 160 ein Basisstrom dem zweiten Transistor 161 zugeführt wird, was zur Folge hat, daß der zweite Transistor 161 im Durchlaßzustand bleibt, Die Einschaltdauer der Halteschaltung ist von den Zeitkonstanten der sich in der Halteschaltung befindenden Bauelemente abhängig, und kann deshalb bis zu mehreren Nanosekunden betragen. Wenn sich der zweite Transistor 161 im Durchlaßzustand befindet, wird die vom Kondensator 172 gespeicherte Ladung als Sperrspannung zwischen dem Emitteranschluß und dem Basisanschluß des dritten Transistors 165 aufgeschaltet, wobei der fließende Sperrstrom den dritten Transistor ί65 mit sehr großer

. Geschwindigkeit in den Sperrzustand schaltet Dadurch, daß sich der zweite Transistor 161 im Dürchlaßzustand befindet, werden alle Transistoren 165,164 und 167 in den Sperrzustand geschaltet, wodurch der Strom durch die Leuchtdiode 170 unterbrochen wird, so daß der zum Basisstromschaltkreis 14 gehörende Fototransistor 148 in den Sperrzustand schaltet. Dann wird von der Hilfsspannungsquelle 300 über den Widerstand 146 und die Diode 147 dem Transistor 145 ein Basisstrom aufgeschaltet, wodurch der Transistor 145 in den Durchlaßzustand geschaltet wird und den Basisstromkreis des Transistors 13 kurzschließt. Der Transistor 13

ίο wird dadurch in den Sperrzustand geschaltet und schaltet seinerseits wiederum den Überstrom ab. Bei diesem Stromunterbrechungsvorgang erfolgt die Abschaltung des Überstroms durch einen Transistor, so tdaß es nicht zu einer Lichtbogenbildung kommt, daß ΐίηε Funkenlöschvorrichtung nicht erforderlich ist, und daß weil beim Schaltvorgang keine beweglichen Kontakte beteiligt sind, sich auch kein Lärm entwickelt. (Gegenüber den verhältnismäßig langen Abschaltzeiten bei mechanischen Überstrom-Schutzschaltern kann die Stromkreisunterbrechung innerhalb von 1 ms vollständig durchgeführt werden. Falls es notwendig sein sollte, kann die Abschaltzeit dadurch verkürzt werden, daß der Kondensator 144 so bemessen wird, daß er einen genügend großen Sperrstrom zwischen Emitter und

25, Basisanschluß des Transistors 13 über den Transistor 145 und den Widerstand 143 fließen läßt.

Gleichzeitig mit der Sperrung des Transistors 167 wird auch das Relais 169 stromlos und fällt durch die mechanisch bedingte Trägheit verzögert ab, wodurch sein Kontakt 169a öffnet, und den Basisstromschaltkreis 14 von der Hilfsspannungsquelle 300 vollständig trennt. Dadurch wird ein Leitungsverlust vermieden. Überströme werden also einfach dadurch abgeschaltet, daß der Basisstrom eines Transistors abgeschaltet wird. Dadurch ist es möglich, eine wiederholte Stromkreisunterbrechung mit schnellem Wiedereinschalten durchzuführen, eine Kommutierungsschaltung, wie sie bei Überstrom-Schutzschaltungen mit Thyristoren verwendet werden, wird für schnelles Umschalten nicht benötigt.

Auch die Abmessungen können gegenüber den früher bekannten Überstrom-Schutzschalterri mit Thyristoren öder Relais erheblich verringert werden.

Nach Beseitigung der Störung wird die Stromzuführung zum Verbraucher 11 dadurch ermöglich!, daß der Schalter 400 geschlossen wird, wodurch der Transistor 13 wie eingangs beschrieben, in den Durchlaßzustand schaltet und damit auch die Stromzuführung zum Verbraucher 11 wieder einschaltet

Wie aus der in Fig.2 dargestellten Kennlinie hervorgeht, ändert sich bei Transistor-Schaltelementen mit steigendem Kollektorstrom oder durch diesen verursacht mit größer werdender Temperatur der Stromverstärkungsfaktor »hfe«. Bis zum Erreichen eines bestimmten Wertes steigt der Stromverstärkungsfaktor »hfe« und nach Erreichen dieses bestimmten Wertes fällt er wieder ab. Das bedeutet, daß solche Transistoren gewählt werden, bei denen, wenn ein dem Nennstrom der Schaltung entsprechender Strom fließt, dieser Strom sich in einem Bereich beifindet, in dem der Stromverstärkungsfaktor »hfe« groß ist, daß aber dann, wenn in Überstrom fließt, nach kurzer Zeit der Stromverstärkungsfaktor »hfe« kleiner wird, was dazu führt, daß der Überstrom schnell kleiner wird.
Auch dann, wenn der Schalter 400 geschlossen wird, um festzustellen, ob die Halteschaltung des zweiten Transistors 161 richtig arbeitet, wird im Rahmen dieser Erfindung dem dritten Transistor 165 der Basisstrom bereits vor dem Schließen des Schalters 400 aufgeschal-

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. fließenden. Überstrom als Spannungsgröße über die Zenerdiode 500 zu messen und ebenfalls als Stromgröße über den Stromwandler 151, wobei in diesem Fall der Stromunterbrechungsvorgang des Transistors 13 sowohl über den Strom als auch über die Spannung gesteuert wird.

Fig.6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines !Überstrom-Schutzschaltelementes, dessen Transistoren 131 und 132 in ihrer Funktion den Transistoren 13 und den Dioden 123 und 124 der Fig. 1 bis 5 entsprechen. Die weiteren Bauteile haben die gleichen wie bereits in F i g. 1 beschriebenen Funktionen.

Der in Fig.7 dargestellten Schaltvorrichtung 12 ist "eine Überspannungs-Absorbtionsschaltung zugeordnet, die aus einer Diode 403, einem Kondensator 404, einem „Widerstand 405 sowie aus einem nicht linearen ' Widerstand oder irgendeinem anderen Überspannungsabsorbtionselement 406 besteht. Beim Ausschalten eines Überstromes durch den Transistor 13 entsteht ein ι Spannungsstoß, der einen Stromfluß erzeugt, welcher den Kondensator 404 über die Diode 403 auflädt. Wird dieser Kondensator 404 über einen bestimmten Wert hinaus aufgeladen, dann absorbiert das Überspainnungsabsorptionselement die restliche Energie, und die im Kondensator 404 gespeicherte Energie wird im 'Widerstand 405 umgewandelt

Wird diese Erfindung eingesetzt, so wird ein Transistor als Schaltelement verwendet und es wird durch Messen des Überstroms die Basisschaltung dieses Transistors derart gesteuert, daß der Transistor in den Sperrzustand schaltet und dadurch den Überstrom /abschaltet. Der Überstrom-Schutzschalter gibt somit fwenig Anlaß für Störungen, hat eine lange Lebensdauer,

_a ^arbeitet ohne Ziehen von Lichtbogen, so daß Lichtbogenlöschvorrichtungen nicht erforderlich sind, die Abschaltleistung verbessert wird, kein Lärm aufkommt, keine Kommutierungsschaltung erforderlich ist, was ,{wiederum zur Folge hat, daß ein kompakter und ^'kostengünstiger Halbleiter-Überstrom-Schutzschalter geschaffen wird, der ein Wiedereinschalten des !Stromkreises mit großer Geschwindigkeit ermöglicht.

tet, so daß dann durch das Schließen des Schalters 400 der Transistor 164 sofort in den Durchlaßzustand geschaltet wird. Es ist dabei sicher, daß ein Eingangssignal mit dem Wert »1« am Kollektoranschluß des dritten Transistors 165 über seine Kollektor-Emitterstrecke kurzgeschlossen wird, so daß ein falsches Schalten des zweiten Transistors 161 verhindert wird.

Bei dem beschriebenen Beispiel ist eine Einphasen-Wechselstromschaltung angenommen worden. Diese Erfindung kann aber auch bei Drehstromschaltungen eingesetzt werden, wobei jeweils eine Schaltvorrichtung mit einem Transistor einer jeden Phase des Verbraucherstromkreises zugeordnet wird.
Die Verwendung dieser Erfindung beschränkt sich

fs auch nicht nur auf Wechselstromschaltungen, sie kann auch in Gleichstromschaltungen eingesetzt werden.

F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der zum Feststellen des im Verbraucherstromkreis fließenden Überstromes die Kollektorspannung des Transistors 13

zu über eine Zenerdiode 500 gemessen wird, wobei dann diese Spannung als Meßsignal genommen und verarbeitet wird.

Fließt ein Überstrom durch den Transistor 13, so geht dieser abrupt in seinen aktiven Bereich und erhöht seine Impedanz, wodurch der Spannungsabfall an der Kollektor-Emitterschicht des Transistor!·· 13 erhöht wird. Damit ist es möglich, den Fehlerstrom dadurch zu messen, daß die Größe der Kollektor-Emitterspannung über die Zenerdiode 500 herausgezogen und gemessen wird.

F i g. 4 zeigt in ähnlicher Weise, daß ein Widerstandselement 401 in den Verbraucherstromkreis geschaltet ist, wobei dann der im Verbraucherstromkreis fließende Überstrom einen größeren Spannungsabfall am Wider-Standselement 401 erzeugt, der als Meßsignal verwendet und verarbeitet wird.

Jedes der in Fig. 1, Fig.3 und Fig.4 dargestellten Überstrom-Meßverfahrens kann für sich selbst eingesetzt werden, es kann aber auch mit anderen kombiniert werden. So ist es. wie dies in Fig.5 gezeigt wird, beispielsweise möglich, den im Verbraucherstromkreis

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Il I I Γ Patentansprüche:

1. Im Stromkreis zwischen einer Wechiselspannungsquelle und einem Verbraucher hegender ■> elektronischer Überstrom-Schutzschalter, bestehend aus einer Diodenbrücke, deren Wechselspannungsanschlüsse mit der Wechselspannungsquelle bzw. mit dem Verbraucher verbunden sind, und deren Gleichspannungsanschlüsse über die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors verbunden sind, dessen Basis mit einem Überstrom-Mcßschaltkreis für die Erkennung eines im Stromkreis des Verbrauchers auftretenden Überstromes verbunden ist, mit einem in diesem Stromkreis vorgesehenen Stromwandler, wobei der Überstrom-Schutiischalter bei Überstrom durch Sperren des Transistors den Verbraucher von der Wech^r.elspannungsquelle abschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstrom-Meßschaltkreis (15) einerseits durch den m Stromwandler (151) andererseits durch eine zwischen ihm und einem Basisstromschaltkreis (14) des Transistors (13) vorgesehene Lichtübertragungsvorrichtung (148, 170) von dem Stromkreis des Verbrauchers galvanisch getrenn i ist und auch mit einer speisenden Hilfsspannungsquelle (3100) nur durch einen isolierten Transformator (308) verbunden ist.

2. Elektronischer Überstrom-Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jo Überstrom-Meßschaltkreis (15) einen zweiten (161) und einen dritten Transistor (165) aufweist, daß eine erste Zenerdiode (159) der Basis des zv/eiten Transistors (161) vorgeordnet ist und beim Fließen eines Überstromes im Verbraucherstromkreis leitet, daß eine Parallelschaltung einer zweiten Zenerdiode

(171) und eines Kondensajors (172) zwischen dem Kollektor des zweiten Transisiors (16!) und der Basis des dritten Transistors (165) vorgesehen ist, daß die Kathode einer Diode (176) mit der Basis eines zweiten Transistors (161) und deren Anode mit dem Kollektor des dritten Transistors (165) verbunden ist und somit nach erfolgter Erregung des zweiten Transisiors (161) auch nach Abfallen des Überstroms des zweiten Transistors (161) im leitenden Zustand hält.

3. Elektronischer Überstrom-Schutzschalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstramschaltkreis (14) des Transistors (13) einen Kondensator (144) aufweist, der durch den Spannungsabfall an einem ihm parallel angeordneten Widerstand (142) geladen wird und beim Abschalten des Überstroms durch sein Potential die an der Basis-Emitterstrecke des Transistors (13) anliegende Spannung invertiert.

4. Elektronischer Überstrom-Schutzschalter nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtübertragungsvorrichtung (148, 170) eine im Betriebszustand leuchtende Diode (170), welche beim Auftreten eines Überstroms ausgeschaltet wird, und einen durch das Licht der Leuchtdiode beeinflußten Fototransistor (148) aufweist, uer bei einfallendem Licht leitet, aber bei ausgeschalteter Lichtquelle gesperrt ist.

5. Elektronischer Überstrom-Schutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fototransistor (148) mit der Basis eines weiteren Transistors (145) verbunden ist, der der Basis und dem Emitter des Transistors (13) aufgeschaltet ist.