DE2738186B2

DE2738186B2 - Nullschal tspannungs-Festkörper-Relais

Info

Publication number: DE2738186B2
Application number: DE2738186A
Authority: DE
Inventors: Isamu Takahagi Komatsu; Toru Sugawara; Tsukasa Yamauchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-09-06
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2738186C3; DE2738186A1; JPS5725089B2; JPS5331952A; US4176288A

Description

Die Erfindung betrifft ein Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais nach dem Oberbegriff des Patentanspruches I.

Unter einem Festkörper-Relais wird im folgenden eine Festkörper-Schalteinheit verstanden, die einen gesteuerten Halbleitergleichrichter bzw. ein Ventil, wie z. H. einen Photothyristor, einen Thyristor und ein licht-gesteuertes wechselstrom-führendes Bauelement (im folgenden als lichtgesteuertes Wechselstrom-Bauelement bezeichnet), durch ein äußeres Steuersignal zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom zündet.
Ein Beispiel für ein derartiges Festkörper-Relais ist eine Festkörper-Schalteinheit mit einem Optokoppler.

Unter Festkörper-Schalteinheit mit Optokoppler wird im folgenden eine Schalteinheit verstanden, bei der ein lichtemittierendes Bauelement, wie z. B. eine

to Leuchtdiode, Licht bei einem äußeren Steuersignal emittiert, und das Licht wird durch einen Lichtempfänger, wie z. B. einen Photothyristor, empfangen, und dadurch gezündet nur eine Last mit Wechselstrom zu versorgen.

Das Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais wird anhand einer Festkörper-Schalteinheit mit Optokoppler näher erläutert. Wenn ein vorbestimmtes elektrisches Eingangssignal an Eingangsanschlüssen liegt, emittiert eine Leuchtdiode Licht in einer dem elektrischen Eingangssignal entsprechenden Menge. Ein gegenüber der Leuchtdiode vorgesehener Photothyristor empfängt das Licht und wird leitend. Nach Leiten des Photothyristors bilden eine Last, eine Wechselstromquelle, de;· Photothyristor und eine Diodenbrücke an den Ausgangsanschlüssen der Festkörper-Schalteinheit einen geschlossenen Stromkreis, so daß Strom durch die Last fließt.

Die Fes'köiper-Schalteinheit ist mit einer Nullspannungs-Schalteinheit aus einem Transistor und einem Widerstand ausgestattet. Der Photothyristor wird nur gezündet, wenn die Spannung der Wechselstromquelle nahe Null ist, und er arbeilet nicht, wenn die Spannung groß ist. Wenn demgemäß das von der Leuchtdiode ausgesandte Licht ausreicht und wenn gleichzeitig die Spannung der Wechselstromqucllc nahe Null ist, wird der Photothyristor gezündet.

Eine derartige Schaltungsanordnung mit einem Optokoppler für eine Nullschaltspannungs-Schaltcinheit ist bekannt (US-PS 38 16 763).

Die Nullschaltspannungs-Schalteinheit arbeitet auch hinsichtlich der Fertigkeit gegen eine hohe Durchschlagspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit dV/dt wirkungsvoll. D. h., wenn elektrisches Rauschen von außen der Wechselstromquelle überlagert wird, würde der Photothyristor durch das elektrische Rauschen gezündet. Wenn jedoch der Transistor in der Nullschaltspannungs-Schalteinheit durch das elektrische Rauschen leitend wird, ist es schwierig, den Photothyristor zu zünden. Daher wird die Durchschlagfestigkeit der Schalteinheit stark verbessert.

Demgemäß hat das Nullschaltspannungs-Festkörpcr-Relais die Nullschaltspannungs-Funktion und eine hohe Durchschlagfestigkeit. Jedoch liegt beim Schalten kein Hysterese-Verhalten vor.

D. h., beim Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais sind der leitende und der nichtleitende Zustand zu einem bestimmten Wert des Eingangs-Steuersignales symmetrisch. Der leitende und der nichtleitende Zustand werden daher durch geringe Änderung des Eingangssignales oder Änderung der Umgebungstemperatur umgekehrt, so daß die Stabilität gering ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais mit erhöhter Festigkeit gegen hohe Durchschlagspan-

f>⁵ nungs-Anstiegsgeschwindigkeit und Schalten mit Hysterese-Verhalten anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais der eingangs

genannten Art erfindungsgemaß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches ί angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch dk Merkmale der Patentansprüche 2—6 gegeben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais,

F i g. 2 die Beziehungen verschiedener Eigenschaften der Werte eines Widerstandes und eines Kondensators einer Festkörper-Schalteinheit im Schaltbild der F i g. 1,

F i g. 3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais zum Steuern von Hochstrom (unter Hochstrom wird im folgenden ein Strom von ca. 1OA verstanden),

F i g. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausfühnmgsbeispiels der Erfindung mit einem Photothyristor als Lichtempfänger, und

Fig.5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem lichtgesteuerten Wechselstrom-Bauelement als Lichtempfänger.

F i g. 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem das erfindungsgemäße NuII-schaltspannungs-Festkörper-Relais für eine Festkörper-Schalteinheit mit Optokoppler verwendet wird.

Wenn ein vorbestimmtes elektrisches Eingangssignal an Eingangsanschlüssen 1 und 2 liegt, emittiert eine Leuchtdiode 3 Licht mit einer dem elektrischen Eingangssignal entsprechenden Lichtmenge. Ein gegenüber der Leuchtdiode 3 angeordneter Photothyristor 4 empfängt das Licht und wird leitend. Wenn der Photothyristor 4 leitet, bilden eine Last Il und eine Wechselstromquelle 12, die an Ausgangsanschlüssen 9 und 10 der Festkörper-Schalteinheit liegen, sowie der Photothyristor 4 und eine Diodenbrücke 8 einen geschlossenen Stromkreis, so daß Strom durch die Last

11 fließt.

Die Festkörper-Schalteinheit ist mit einer Nullschaltspannungs-Schalteinheit aus einem NPN-Transistor 5 und Widerständen 6 und 7 ausgestattet. Die Nullschaltspannungs-Schalteinheit zündet den Photothyristor 4 nur dann, wenn die Spannung der Wechselstromquelle

12 nahe Null ist, und sie zündet den Photothyristor 4 nicht, wenn die Spannung groß ist. Auf diese Weise vermindert sie beim Schalten entstehende Störspannungen. Weiterhin sind der Steueranschluß und die Kathode des Photothyristors 4 mit dem Kollektor bzw. dem Emitter des Transistors 5 verbunden. Wenn der Transistor 5 leitet, liegt Kurzschluß zwischen dem Steueranschluß und der Kathode des Photothyristors 4 vor, so daß dieser nicht zündet, selbst wenn er eine ausreichende Lichtmenge von der Leuchtdiode 3 empfängt. Wenn andererseits der Transistor 5 nicht leitet, ist kein Kurzschluß durch den Transistor 5 vorhanden, so daß er bei ausreichend großer Menge empfangenen Lichtes gezündet wird. Ob der Transistor 5 leitet oder nicht leitet, wird durch die Spannung an" Spannungsteiler 6 und 7 bestimmt, d. h. durch die von der Diodenbrücke 8 gleichgerichtete Wechselspannung von der Wechselstromquelle 12. Wenn diese Spannung einen Wert hat, der ausreicht, um den Transistor 5 leitend zu machen, wird der Photothyristor 4 nicht gezündet, selbst wenn er eine ausreichende Lichtmenge empfängt. Folglich wird der Photothyristor 4 nur dann Eczündet und es fließt nur dann ein Laststrom durch die Last 11, wenn das von der Leuchtdiode 3 eintretende Licht ausreicht und die Spannung der Wechselstromquelle 12 nahe Null ist.

Wenn die Schalteinheit lediglich aus dem Transistor 5 und den Widerständen 6 und 7 besteht hat sie :war den Vorteil der Nullschaltspannungs-Funktion und großer Festigkeit gegen hohe Durchschlagspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit, aber den Nachteil, daß kein Hysterese-Verhalten beim Schalten auftritt (vgl. oben).

Um das Schalten mit Hysterese-Verhalten zu ermöglichen, wurde z. B. bereits angeregt, einen Schmitt-Trigger auf der Eingangsseitc zu verwenden.

Weiterhin wurde vom Erfinder bereits eine Schaltungsanordnung entwickelt, bei der lediglich ein Kondensator 19 parallel zum Widerstand 7 der obigen Festkörper-Schalteinheit vorgesehen ist, um so das Hysterese-Verhalten aufzubauen.

Im folgenden wird das Prinzip dieser Schaltungsanordnung näher erläutert. Die Spannungen, die an den Widerständen 6 und 7 liegen und diesen zugeordnet sind, sind zeitlich verschieden, wenn Strom bzw. kein Strom durch die Last fließt. Dadurch ist die im Kondensator gespeicherte Ladungsmenge unterschiedlich, und dieser Unterschied tritt in der Impedanz des Transistors 5 auf.

Demgemäß ändert sich die Zündempfindlichkeit des Photothyristors 4, und es tritt Hysterese-Verhalten auf. Da mit dieser Schaltungsanordnung der oben aufgezeigte Zweck durch Zuschalten eines Kondensators 13 erreicht werden kann, ist sie viel einfacher aufgebaut als der Schmitt-Trigger. Das Zuschalten des Kondensators verringert jedoch die Festigkeit gegen hohe Dun:hschlagspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit dV/dt. Wenn nämlich eine sehr schnelle Spannungsänderung auftritt, fließt der dadurch hervorgerufene Strom über den Kondensator und nicht durch die Basis und den Emitter des Transistors 5, so daß die Impedanz des Transistors 5 nicht verringert wird und der Photothyristor 4 leicht zündet.

Die Erfindung besteht darin, daß eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 13 und einem Widerstund 14 dem Widerstand 7 und der Basis-Emitter-Sirecke des Transistors 5 parallel geschaltet ist. Auch bei dieser Festkörper-Schalteinheit emittiert die Leuchtdiode 3 Licht bei Einspeisung des elektrischen Eingangssignal, und der Photothyristor 4, der das Licht empfangen hat, zündet, wodurch der Laststrom durch die Last 11 fließen kann. Bei der oben erläuterten Schaltung wird jedoch das Hysterese-Verhalten dadurch erzielt, daß die im Kondensator 13 gespeicherten Ladungsmengen zeitlich verschieden sind, wenn der Laststrom fließt bzw. nicht fließt. Selbst wenn weiterhin schnelle Spannungsänderungen einwirken, fließt auch Strom durch die Basis und den Emitter des Transistors 5 wegen des Widerstandes 14 und verringert somit die Impedanz des Transistors 5. Deshalb ist der Photothyristor 4 schwierig zu zünden, und es zeigt sich eine große dV/dt Festigkeit. Als Beispiel sollen die Fälle verglichen werden, in denen der Widerstand 14 in der Festkörper-Schalteinheit der Fig. 1 vorhanden bzw. nicht vorhanden ist. Es sei angenommen, daß die Kapazität des Kondensators 13 0,01 μΓ und der Widerstandswert des Widerstandes 14 10 kh b"'ragen, dann ist die dV/dt Festigkeit unter 10 V/yis ohne den Widerstand 14 und über 100 V/μϋ mit Widerstand 14. Als Beispiel für den Wertebereich des Kondensators 13 und des Widerstandes 14 sind in F i g. 2 die Nullschaltspannungs-Funktion und die Hysterese-Kurse dargestellt. Inder Fig. 2 sind auf der Abszisse die

Kapazität (in μΡ) des Kondensators 13 und auf der Ordinate der Widerstandswert (in kSl) des Widerstandes 14 aufgetragen. Dabei sind vorgesehen ein Bereich A, in dem die dV/dl Festigkeit lOOV/ns beträgt, ein Nullspannungs-Startbereich B und ein Hystcrese-Schaltbcreich C Eine Zone D, in der sich diese Bereiche überlappen (schraffiert dargestellt), ist eine gute Betriebszone für das erfindungsgemäße Nullschaltspannungs-Fcstkörper-Relais.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem für einen Hochstrom durch die Last U zusätzlich zur Schaltung der Fig. 1 ein gesteuertes Wechselstroni-Halbleiter-Schaltelement 15 vorgesehen ist, und der durch den Photothyristor 4 fließende Strom als Steuerstrom dient, um das gesteuerte Wechselstrom Halbleiter-Schaltclcment 15 (Triac) leitend zu machen. Nach Einspeisen eines elektrischen Eingangssignales emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, der Photothyristor 4 zündet nach Lichtempfang und wird leitend, und es fließt Strom zum Stcueranschluß des gesteuerten Wechselstrom-Halbleitcr-Schaltelemenls 15. Auf diese Weise wird das gesteuerte Wechselstrom-Schaltelemcnt 15 leitend und ein Stromkreis, bestehend aus der Wechselstromquelle 12, der Last 11 und dem gesteuerten Wcehsclstrom-Schaltelement 15 wird geschlossen, und es fließt Wechselstrom durch die Last 11. Diese Feslkörpcr-Schalteinheit ist besonders zur Steuerung von Lasten mit ungefähr 10 A Laststrom vorteilhaft.

In dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Phototransistor 21 als Lichtempfänger, ein Verstärkertransistor 22 und einen Thyristor 25 verwendet, um so den Photothyristor 4 weglassen zu können. Wenn bei dieser Schaltungsanordnung ein elektrisches Eingangssignal eingespeist wird, emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, und der Phototransistor 21 wird bei Lichtempfang leitend. Folglich fließt Strom durch den Widerstand 23 in den Phototransistor 21 und nicht in die Basis des Transistors 22. weshalb kein Strom durch den Widerstand 24 und den Transistor 22 fließt. Dadurch entsteht ein Steuerstrom für den Thyristor 25. so daß dieser gezündet wird und ein Laststrom durch die Last 11 fließt. Gleichzeitig arbeitet eine Schaltung aus dem Transistor 5. den Widerständen 6, 7 und 14 sowie dem Kondensator 13 auf ähnliche Weise wie die Schaltung aus Bauelementen mit den gleichen Bezugszeichen in den Fig. 1 oder 3, und es können ähnliche Wirkungen erzielt werden. Insbesondere ermöglicht die Festkörper-Schalteinheit mit diesem Aufbau ein Schalten durch ein sehr kleines elektrisches Eingangssignal unter 1 niA.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet ein lichtgesicucrlcs Wechselstrom-Halblei ter-Sehaltclement 26 (Triac) als l.ichiempfänger. um s< die Diodenbrücke weglassen zu können. Wenn eil elektrisches Eingangssignal an dieser Festkörper Schalteinheit liegt, emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, du lichtgcsleuerte Wcchselstrom-Schaltelement 26 win bei Lichtempfang leitend, und ein Laststrum fließt durcl die Last 11. Gleichzeitig arbeitet eine Schaltung aus den N PN-Transistor 5, der in Betrieb ist, wenn die Seite de:

Anschlusses 9 auf positivem Potential ist, einen PNP-Transistor 27, der in Betrieb ist, wenn die Seite de; Anschlusses 9 auf negativem Potential ist, dei Widerständen 6, 7 und 14 und dem Kondensator 13 au ähnliche Weise wie die Schaltungsanordnungcn dci

ic Fi¹¹.?, 3 oder 4 und es können ähnliche Wirkun^iTci erzielt werden. Insbesondere enthält die Festkörper Schalteinheit mit diesem Aufbau keine Diodenbrücke i und lediglich den zusätzlichen Transistor 27, so daß keir auf der Diodenbrücke beruhender Spannungsabfal auftritt und die Anzahl der Bauelemente klein ist.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen wird da Lichtsignal zum Zünden des Photothyristors, de lichtgesteuerten Wechselstrom-Halbleiter-Schaltele ments oder des Thyristors übertragen; die Erfindung is aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann z. B. aucl bei einer Schaltungsanordnung vorteilhaft eingesetz werden, bei der z. B. ein elektrisches Signal zum Zündei eines Thyristors durch einen Impulsübertrager übertra gen wird, wobei die Nullschaltspannungs-Funktion au dem Transistor 5 und den Widerständen usw. zwischei dem Steueranschluß und der Kathode dieses Thyristor beruht.

Wenn bei der Schaltungsanordnung der Fig. 4 odc der Fig. 5 das gesteuerte Wechselstrom-Halbleiter Schaltelement 15 wie in Fig. 3 zwischen den Anschlüs sen 9 und 10 vorgesehen und der Anschluß 10 mit den Steueranschluß des gesteuerten Wechselstrom-Schah elements 15 verbunden wird, kann die Schaltungsanord nung der Fig.4 oder der Fig.5 auch zur Steuerunj

4u einer Ilochstrom-Lasi von 10A od. dgl. verwende werden.

Wie oben erläutert wurde, erhöht das erfindungsge mäße Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais die Fc stigkeit gegen eine hohe Durchschlagspannungs-An Stiegsgeschwindigkeit und bewirkt gleichzeitig Schaltet mit Hysterese-Verhalten bei einfachem Aufbau, so dal ein stabiler Festkörper-Leistungsschalter entsteht. Da her ist die Erfindung besonders für industriell« Anwendungen vorteilhaft.

Hierzu 2 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

l.Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais
mit einem zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom durch ein äußeres Steuersignal zündbaren gesteuerten Halbleitergleichrichter, der in der Gleichstromdiagonale einer Diodenbrücke in Graetz-Schaltung liegt, an deren Wechselstromdiagonale die Reihenschaltung aus Last und Wechselstromquelle liegt,

mit einem Transistor, dessen Kollektor bzw. Emitter mit dem Steueranschluß bzw. der Kathode des Halbleitergleichrichters verbunden ist, und
mit einem Spannungsteiler zwischen der Anode und der Kathode des gesteuerten Halbleitergleichrichters, dessen Mittelabgriff an der Basis dts Transistors liegt, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (13) und einem Widerstand (14), die dem Widerstand (7) des Spannungsteilers und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors (5) parallelgeschaltet und derart bemessen ist, daß sich eine ausreichende Zeitkonstante für Hysterese-Verhalten ergibt.
2. Relais nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein die Last(l 1) mit Wechselstrom versorgendes und durch den Halbleitergleichrichter (4) zündbares gesteuertes Wechselst rom-Halblei ter-Schaltclemcnt (15), dessen beiden Anschlüsse parallel zur Reihenschaltung aus der Last (11) und der Wechsclslromquclle (12) liegen und dessen Steueranschluß mit der Diodenbrücke verbunden ist (F ig. 3).
3. Relais nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergleichrichter (4) ein Photothyristor ist. der durch das von einer Leuchtdiode (3) bei Vorhandensein des äußeren Steuersignal emittierte Licht ansteuerbar ist (F i g. I. 3).
4. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergleichrichter (4) ein Thyristor (25) ist, der durch Leiten eines an seine Steuerelektrode angeschlossenen Phototransistors (21) zündbar ist, der durch Lichtemission einer durch das iiußere Steuersignal angesteuerten Leuchtdiode (3) ansteuerbar ist (F i g. 4).
5. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergleichrichter (4) ein lichtgesteuertes Wechselstrom-Halblciter-Schaltelement (26) ist, das durch eine Leuchtdiode (3) betrieben wird, die beim äußeren Steuersignal Licht emittiert (F ig. 5).
6. Relais nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen NPN- und einen PNP-Transistor (5 bzw. 27), deren Kollektoren bzw. Emitter mit dem Steueranschluß bzw. der Kathode des Wcchselstrom-Halbleiter-Schaltelementes (26) zusammengeschaltet sind (F i g. 5).