DE2738186C3

DE2738186C3 - Nullschal tspannungs-Festkörper-Relais

Info

Publication number: DE2738186C3
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: 1980-06-19
Also published as: JPS5331952A; DE2738186A1; JPS5725089B2; US4176288A; DE2738186B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter einem Festkörper-Relais wird im folgenden eine Festkörper-Schalteinheil verstanden, die einen gesteuerten Halbleitergleichrichter bzw. ein Ventil, wie z. B. 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 lichtemiuierendes Bauelement, wie z. B. eine

ίο 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, der Photothyristor und eine Diodenbrücke an den Ausgangsanschlüssen der Festkörper-Schalteinheit einen geschlossenen Stromkreis, so daß Strom durch die Last fließt.

Die Festkörper-Schalteinheit ist mit einer Nullspannungs-Schalteinheit aus einem Transistor und einem Widerstand ausgestattet. Der Photothyristor wird nur gezündet, wenn die Spannung der Wechselstromquellc nahe Null ist, und er arbeitet nicht, wenn die Spannung groß ist. Wenn demgemäß das von der Leuchtdiode ausgesandte Licht ausreicht und wenn gleichzeitig die Spannung der Wechselstromquclle nahe Null ist, wird der Photothyristor gezündet.

Eine derartige Schaltungsanordnung mit einem Optokoppler für eine Nullschallspannungs-Schalteinheit ist bekannt (US-PS 38 Ib 763).

■to Die Nullschaltspannungs-Schalteinheil arbeilet auch hinsichtlich der Fertigkeit gegen eine hohe Durchschlagspannungs-Anslicgsgeschwindigkeit dV/dt wirkungsvoll. D. h., wenn elektrisches Rauschen von außen der Wechselstromquelle überlagert wird, würde der Photothyristor durch das elektrische Rauschen ge/ündet. Wenn jedoch der Transistor in der Nullschallspannungs-Schalteinhcit durch das elektrische Rauschen leitend wird, ist es schwierig, den Photothyristor /u zünden. Daher wird die Durchschlagfestigkeit der Schalteinheit stark verbessert.

Demgemäß hat das Nnllschaltspannungs-Festkörper-Relais die NullschaltspanniingsF-unktion und eine hohe Durchschlagfestigkeit. Jedoch liegt beim Schallen kein Hysterese-Verhalten vor.

D.h., beim Nullschaltspannungs-Feslkörpcr-Relais sind der leitende und der nichtleitende Zustand zu einem bestimmten Wert des Eingangs-Steuersignalcs symmetrisch. Der leitende und der nichtleitende Zustand werden daher durch geringe Änderung des Eingangssi-

gnales 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 Durchschlagspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit und Schalten mit Hysterese-Verhalten anzugeben.

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

genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind du/ch die 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 Nullschalispannungs-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,

Fig.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. 10 A verstanden),

Fig.4 ein Schaltbild eines weiteren A'-sführungsbeispiels der Erfindung mit einem Photothyristor als Lichtempfänger, und

F i g. 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. F.in gegenüber der Leuchtdiode 3 angeordneter Photothyristor 4 empfängt das Licht und wird leitend. Wenn der Photothyristor 4 leitet, bilden eine Last 11 und eine Wechselstromquelle 12, die an Alisgangsanschlüssen 9 und 10 der Festkörper-Schalleinheit liegen, sowie der Photothyristor 4 und eine Diodenbrücke 8 einen geschlossenen Stromkreis, so daß Strom durch die Last

11 riießt.

Die Feslkörper-Schalicinhcit ist nut einer Nullschallspannungs-Schalleinheit aus einem NPN-Transistor 5 und Widerständen 6 und 7 ausgestattet. Die Nullschaltspannungs-Schalleinheit zündet den Photothyristor 4 nur dann, wenn die Spannung der Wechselstromquelle

12 nahe Null ist, und sie /ündel den Photothyristor 4 nicht, wenn die Spannung groß ist. Auf diese Weise vermindert sie beim Schalten entstehende Storspannungen. Weiterhin sind der Sleueranschluß und die Kathode des Photothyristor 4 mit dem Kollektor b/w. dem Emitter des Transistors 5 verbunden. Wenn der Transistor 5 leitet, liegt Kurzschluß /wischen 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, w't·⁴ durch die Spannung am Spannungsteiler 6 und 7 uestnnml, 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 eezündet 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 isL

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

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

Weiterhin wurde vom Erfinder bereits eine Schaltungsanordnung entwickelt, bei der lediglich ein Kondensator 59 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 Zündempfindlichke:t des Photothyristor 4. jnd es tritt Hysterese-Verhalten auf. Da mit dieser Schaltungsanordnung der oben aufgezeigte Zweck durch Zuschalten eines Kondensators IB erreicht werden kann, ist sie viel einfacher aufgebaut als der Schmitt-Trigger. Das Zuschalten des Kondensators verringert jedoch die Festigkeit gegen hohe Durchschlagspannungs-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 Widerstand 14 dem Widerstand 7 und der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 5 parallel geschaltet ist. Auch bei dieser Fesikörper-.Schalieinheit emittiert die Leuchtdiode 3 Licht bei Einspeisung des elektrischen Eingangssignales, 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 durcii 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 μΡ und der Widerstandswert des Widerstandes 14 1OkQ betragen, dann ist die dV/dt Festigkeit unter 10 VZ[LS ohne den Widersland 14 und über 100 V/jis 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-Kurve dargestellt. In der F i g. 2 sind auf der Abszisse die

Kapazität (in μΡ) des Kondensators 13 und auf der Ordinate der Widerstandswert (in kQ) des Widerstandes 14 aufgetragen. Dabei sind vorgesehen ein Bereich A, in dem die dV/dt Festigkeit 100 V^s beträgt, ein Nullspannungs-Startbereich B und ein Hysterese-Schaltbereich C. Eine Zone D, in der sich diese Bereiche überlappen (schraffiert dargestellt), ist eine gute Betriebszone für das erfindungsgemäße Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais.

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem für einen Hochstrom durch die Last 11 zusätzlich zur Schaltung der Fig. 1 ein gesteuertes Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelement 15 vorgesehen ist, und der durch den Photothyristor 4 fließende Strom als Steuerstrom dient, um das gesteuerte Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelement 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 Steueranschluß des gesteuerten Wechselstrom-Halbleiter-Schallelements 15. Auf diese Weise wird das gesteuerte Wechselstrom-Schaltelement 15 leitend und ein Stromkreis, bestehend aus der Wechselstromquelle 12, der Last 11 und dem gesteuerten Wechselstrom-Schaltelement 15 wird geschlossen, und es fließt Wechselstrom durch die Last 11. Diese Festkörper-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 mA.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet ein lichtgesteuertes Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelemenl 26 (Triac) als Lichtempfänger, um so die Diodenbrücke weglassen zu können. Wenn ein elektrisches Eingangssignal an dieser Festkörper-Schalteinheit liegt, emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, das lichtgesteuerie Wechselslrom-Schaltelement 26 wird bei Lichtempfang leitend, und ein Laststrom fließt durch die Last 11. Gleichzeitig arbeitet eine Schaltung aus dem NPN-Transistor 5, der in Betrieb ist, wenn die Seite des Anschlusses 9 auf positivem Potential ist, einem PNP-Transistor 27, der in Betrieb ist, wenn die Seite des Anschlusses 9 auf negativem Potential ist. den Widerständen 6, 7 und 14 und dem Kondensator 13 auf ähnliche Weise wie die Schallungsanordnungen der Fig. 1, 3 oder 4, und es können ähnliche Wirkungen erzielt werden. Insbesondere enthält die Fcsikörper-Sehalteinheit mit diesem Aufbau keine Diodenbrücke 8 und lediglich den zusätzlichen Transistor 27, so daß kein auf der Diodenbrücke beruhender Spannungsabfall auftritt und die Anzahl der Bauelemente klein ist.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen wird das Lichtsignal zum Zünden des Photothyristors, des lichtgesteuerten Wechselstrom-Halbleiter-Schallelements oder des Thyristors übertragen; die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann z. B. auch bei einer Schaltungsanordnung vorteilhaft eingesetzt werden, bei der z. B. ein elektrisches Signal zum Zünden eines Thyristors durch einen Impulsübertrager übertragen wird, wobei die Nullschaltspannungs-Funktion auf dem Transistor 5 und den Widerständen usw. zwischen dem Steueranschluß und der Kathode dieses Thyristors beruht.

Wenn bei der Schaltungsanordnung der Fig.4 oder der Fig.5 das gesteuerte Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelement 15 wie in F i g. 3 zwischen den Anschlüssen 9 und 10 vorgesehen und der Anschluß 10 mit dem Steueranschluß des gesteuerten Wechselstrom-Schaltelements 15 verbunden wird, kann die Schaltungsanordnung der Fig.4 oder der Fig.5 auch zur Steuerung einer Hochstrom-Last von 1OA od. dgl. verwendet werden.

Wie oben erläutert wurde, erhöht das erfindungsgemäße Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais die Festigkeit gegen eine hohe Durchschlagspannungs-An-Stiegsgeschwindigkeit und bewirkt gleichzeitig Schalten mit Hysterese-Verhalten bei einfachem Aufbau, so daß ein stabiler Festkörper-Leistungsschalter entsteht. Daher ist die Erfindung besonders für industrielle Anwendungen vorteilhaft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

l.Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais
mit einem zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom durch ein äußeres Steuersignal zündbaren gesteuerten Kalbleitergleichrichter, 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 des 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 (11) mit Wechselstrom versorgendes und durch den Halbleitergleichrichter (4) zündbares, gesteuertes Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelement (15), dessen beiden Anschlüsse parallel zur Reihenschaltung aus der Last (11) und der Wechselstromquelle (12) liegen und dessen Steueranschluß mit der Diodenbrücke verbunden ist (Fig. 3).
3. Relais nach Anspruch 1 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 (Fig. 1, 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 äußere Steuersignal angesteuerten Leuchtdiode (3) ansteuerbar ist (F i g. 4).
5. Relais nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergleichrichter (4) ein lichtgesteuertes Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelement (26) ist, das durch eine Leuchtdiode (3) betrieben wird, die beim äußeren Steuersignal Licht emittiert (Fi g. 5).
6. Relais nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen NPN- und einen PNP-Transistor (5 bzw. 27), deren Kollektoren bzw. F.mitter mit dein Steueranschluß bzw. der Kathode des Wechselstrom-Halbleiter-Schaltelemenles (26) zusammengeschaltet sind (F i g. 5).