DE3133746A1

DE3133746A1 - "festkoerper-leistungsregler mit ein-aus-anzeige"

Info

Publication number: DE3133746A1
Application number: DE19813133746
Authority: DE
Inventors: William W. Lima Ohio Billings
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1980-08-27
Filing date: 1981-08-26
Publication date: 1982-04-22
Also published as: FR2489628B1; GB2083236B; JPH0130424B2; JPS5771241A; FR2489628A1; GB2083236A; US4346375A

Description

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Festkörper-Leistungsregler mit EIN-AUS-Anzeige

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Festkörper-Leistungsregler, speziell auf eine Schaltung zum Anzeigen des Zustands des Leistungsreglers, wobei ausschließlich Festkörperbauelemente zum Einsatz gelangen.

Festkörper-Leistungsregler arbeiten bekanntermaßen äquivalent wie ein elektromechanischer Leistungsschalter, ohne jedoch mechanische Elemente zu verwenden. Solche Leistungsschalter, die auch als Leistungsregler bekannt sind, sollen hier beschrieben werden. Derartige Vorrichtungen sind in hohem Maße nützlich und wirksam, und ihre Wirksamkeit kann noeh erhöht werden, indem die Vorrichtungen mit zusätzlichen Einrichtungen kombiniert werden, die dazu dienen, ein. elektrisches Signal- bereitzustellen, welches kennzeichnend ist für den Zustand oder den Status des Leistungsreglers, nämlich dafür, ob der Leistungsregler eingeschaltet ist und zwischen der dazugehörigen Stromversorgung und Last eine leitende Verbindung herrschen sollte oder ob sich der Leistungsregler im AUS-Zustand befinet, weil er z.B. ausgeschaltet wurde, so daß in dem Lastkreis keine leitende Verbindung vorliegt. Die Erzeugung eines eindeutigen elektrischen Signals, das diese unterschiedlichen Zustände angibt, ist äußerst nützlich für die für eine Bedienungsperson bestimmte Anzeige. Die Anzeige kann beispielsweise

durch

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durch das Aufleuchten einer Lampe entweder bei -einem EIN-Signal oder einem AUS-Signal erfolgen, oder aber dadurch, daß ein Signal an eine logische Schaltung oder eine andere Steuerschaltung gegeben wird, um eine komplexere Folge von Ereignissen einzuleiten, wie z.B. Versuche, bei einem AUS-Signal nach der Bestimmung einer Anzahl von Kriterien einen Einschaltvorgang einzuleiten.

Die Zustandsanzeige in Festkörper-Leistungsreglern erfolgte bisher ausnahmslos, durch Verwendung von Miniaturrelais. In diesem Zusammenhang ermöglicht ein normalerweise geschlossenes (auch als NC- oder Form"B"-)Relais die aktive Statusanzeige eines AUS-Zustands, weil während des EIN-Zustands das normalerweise geschlossene Relais bei einem ihm zugeführten Signal zu einer Strom unterbrechung und daher zur Abwesenheit des A US-Signals führt. Für eine EIN-Zustandsanzeige eignete sich in' ähnlicher Weise die Verwendung eines normalerweise geöffneten (auch bekannt als NO- oder Form"A"-) Relais, so daß die Zustandsanzeige nach dem Anlegen des von dem Leistungsregler kommenden Signals erfolgte, das das normalerweise geöffnete. Relais schloss. Kombinationen aus normalerweise geöffneten und normalerweise geschlossenen Relais (Form"C"-Relais) können sowohl bloß EIN- als auch AUS-Zustände anzeigen.

Miniaturrelais können also sowohl für EIN- als auch AUSrZustände eine aktive Zustands- oder Statusanzeige liefern, sie sind jedoch in einigen Änwendungsfällen nicht wünschenswert, weil sie im Vergleich zu einer · Festkörperschaltung nicht deren Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Unempfindlichkeit bezüglich Umgebungseinflüssigen aufweisen.

Es ist weiterhin' bekannt, einige Zustandsanzeigen dadurch zu erhalten, daß Festkörperbauelemente eingesetzt werden, die als "Senken" charakterisiert werden können. Hierbei kann es sieh um einen Aus- ' gangstransistor, wie z.B. einen herkömmlichen Bipolar-Transistor handeln, der für den EIN-Zustand oder eine logische "1" von einem von dem Leistungsregler gelieferten Basissignal eingeschaltet wird,

so daß

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•so daß seine Kollektor-Emitter-Strecke leitend wird. Der AUS-Zustand oder der logische Zustand "0" wird durch das Fehlen des Basissignals für den Ausgangstransistor gekennzeichnet, so daß die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors nicht-leitend· oder ein praktisch offener Schaltkreis ist. · "■".".

Die Verwendung eines einzelnen Elementes wie beispielsweise eines Bipolar-Transistor's zum Schaffen sowohl einer EIN- als auch einer A!^Zustandsanzeige trägt nicht dem Bedürfnis einer aktiven Statusanzeige für beide- Zustände Rechnung. Der Grund hierfür liegt darin, daß das Element den AUSrZustand durch das Fehlen eines Ausgangsanzeigesignals passiv anzeigt. Eine derartige Anzeige kann aber auch von einer Fehlfunktion eines der Bauelemente ebenso herrühren, wie von dem Vorliegen des AUS-Zustands.

Die vorliegende Erfindung trägt den obigen Erwägungen Rechnung und schafft eine spezielle Lösung in Form einer völlig aus Festkörperelementen aufgebauten Anzeigeschaltung, die die Fähigkeit besitzt, ein aktives AUS-Zustandssignal zu liefern. Die hier beschriebene beispielhafte Schaltung verwendet einen Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp um die A US-Anzeige zu Hefern. Dieses an sich bekannte Bauelement hat die Eigenschaft, daß es normalerweise , d.h. bei Fehlen eines Gate-Signals , leitend ist, während es bei Anlegen eines Gate-Signals nicht-leitend wird. Die Verwendung eines solchen Bauelements ermöglicht also das Fließen des Arbeitsstroms in der Statusschaltung zwischen Source und Drain, um jederzeit ein Ausgangssignal zu erhalten, wenn das Gate-Signal nicht ansteht, weil der Leistungsregler sich im AUS-Zustand befindet.

Die Erfindung schafft also einen Festkörper-Leistungsregler mit EIN-AUS-Anzeige, der gekennzeichnet ist durch eine Festkörper-Leistungsregeleinrichtung zum Regeln der Leistungszufuhr zwischen einer Stromversorgung und einer Last, Ausgangsanschlüsse für ein Zustandsanzeigesignal, eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Signals, das

den

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den AUS-Zustand der Leistungsregeleinrichtung eindeutig angibt, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines EIN-Signals, das den EIN-Zustand der Leistungsregeleinriehtung anzeigt, eine Einrichtung, die auf das EIN-Signal anspricht, um das Leiten zwischen den Zustandssignal-Ausgangsanschlüssen zu unterbinden, und die ein Halbleiterbauelement mit einem ersten und zweiten Anschluß aufweist, wobei eine an den ersten und zweiten Anschluß angelegte Spannung bei Fehlen eines · EIN-Signals von der Leistungs regeleinrichtung ein AUS-Zustandssignal erzeugt, sowie mit einem dritten Anschluß, der das EIN-Signal empfängt und das Leiten zwischen dem ersten und zweiten Anschluß unterbindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind Maßnahmen getroffen, bei denen sowohl eine aktive EIN- als auch AUS-Zustandsanzeige gegeben wird. Diese Maßnahmen beinhalten eine Kombination aus einem Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp mit einem weiteren Halbleiterbauelement, wie z.B. einem Bipolar-Transistor oder einem. Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp, in Serie mit der Zustandsanzeigeschaltung, wobei zwischen den Elementen ein gemeinsamer Zweig liegt. Der den Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp enthaltende Schaltungsabschnitt liefert ein aktives Zustandssignal bei den AUS-Zuständen des Leistungsreglers, d.h. , wenn das Gate-Signal nicht vorhanden ist. Das andere Bauelement, beispielsweise ein Bipolartransistor, liefert ein aktives Zustandssignal des EIN-Zustands während solchen Zeiten, in denen das Steuersignal an der Basis des Transistors vorhanden ist.

Auf diese Weise können neue Festkörper-Anzeigeschaltungen erhalten werden, die analog sind zu den Relaisschaltungen der Form B oder der Form C. Für jeden Zustand gibt es eine eindeutige , durch einen Stromfluß gekennzeichnete Anzeige.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

O IOJ/4U

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Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines Ausführungsbeispiels der Erfin- . dung, und

Fig. 2 eine Schaltungsskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 1 zeigt einen durch einen Block 10 dargestellten Festkörper-Leistungsregler in Kombination mit einer Hilfsanzeigesehaltung 12, die eine AUS-Zustandsanzeige liefert. Der Festkörper-Leistungsregler 10 kann in herkömmlicher Weise so ausgebildet sein, daß er die zwischen einer Stromversorgung 14 und einer Last 15 übertragene Leistung regelt.

Die Anzeigeschaltung 12 weist zwei Eingangsgrößen auf. Eine Eingangsgröße kommt von einer Einrichtung 16, die ein für einen EIN-Zustand des Leistungsreglers kennzeichnendes Signal abgibt; die Einrichtung ist hier in diesem Ausführungsbeispiel als Transformatorwicklung 16 des Treibertransformators T dargestellt, welcher die Leistungsstufe des Festkörper-Leistungsreglers treibt. Der Transformator T wird immer dann erregt, wenn der Leistungsregler im EIN-Zustand ist, er wird nicht erregt, wobei die Spannung an der Wicklung 16 Null ist, wenn der Leistungsregler im AUS-Zustand ist. Von dem Leistungsregler 10 kann an die Anzeigeschaltung 12 auch von einer anderen geeigneten Einrichtung ein Eingangssignal gegeben werden, wobei eine solche Einrichtung direkt auf den Zustand des Leistungsreglers anspricht. In diesem Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß der Leistungsregler für eine Wechselstrom-Last vorgesehen ist; es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung auch bei Gleichstrom-Leistungsreglem anwendbar ist.

Die andere Eingangsgröße für die Anzeigeschaltung kommt von einer ynabhängigen Gleichspannungsquelle 18, die an die Anzeige-Ausgangsanschlüsse 17 und 19 angeschlossen ist. Diese externe Spannung soll stets angelegt werden, wenn die Schaltung in Betrieb ist. Die Funktion

dieses

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dieses. Ausführungsbeispiels der Anzeigeschaltung 12 besteht darin, nur dann ein Stromsignal an den Anzeige-Ausgangsanschlüssen zu liefern, wenn der Leistungsregler im AUS-Zustand ist. Um nur ein Beispiel anzugeben, kann der Strom dazu verwendet werden, eine Leuchtdiode 20 zu treiben.

In der Anzeigeschaltung ist ein Halbleiterbauelement 22 vorgesehen, das auf ein EIN-Signal von dem Leistungsregler anspricht, um den Stromfluß zwischen den Zustandssignal-Ausgangsanschlüssen 17 und zu unterbinden. Das Bauelement 22 ist vorzugsweise ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp, dessen Source 24 und Drain 25 an die äußere Anzeigeschaltung angeschlossen sind. Das Gate 23 des Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp, 22 , ist so verschaltet, daß es die Transformatorspannung der Wicklung 16 von dem Leistungsregler empfängt. .

Befindet sich der Leistungsregler 10 im AUS-Zustand, so erkennt man, daß kein Gate-Signal an den Feldeffekttransistor 22 gelangt. Folglich wird der leitende Zustand zwischen den Anzeige-Ausgangsanschlüssen 17 und 19 aufrechtgehalten, was den AUS-Zustand des Leistungsreglers kennzeichnet. Befindet sich der Leistungsregler im EIN-Züstand, so wird das Signal von dem Transformator von einem Diodengleiehrichter 26 gleichgerichtet, um einer Parallelschaltung aus einem .Kondensator 27 und einem Widerstand 28 wird eine Spannung aufgeprägt. Dies schafft eine ausreichend hohe Gate-Spannung, so daß der leitende Zustand zwischen Source und Drain 24 bzw. 25 des Transistors verhindert und daher das AUS-Statussignal an den Ausgangsanschlüssen nicht angezeigt wird. ' · .

Fig. 2 zeigt eine Anzeigeschaltung 32 mit Elementen zum Anzeigen entweder des AUS- oder des EIN-Zustands des Leitungsreglers 10 , Verschiedene Elemente entsprechend den in Fig. 1 dargestellten Elementen , die für .die Anzeige eines AUS-Zustandssignals vorgesehen sind; diese Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen ver

sehen

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sehen. Darüber "hinaus ist hier ein zweites Halbleiterbauelement 34 , welches bei diesem Ausführungsbeispiel als Bipolar-Transistor ausgebildet ist, vorgesehen. Der Kollektor und Emitter 37 bzw. 36 sind an die Zustandsanzeige-Ausgangsschaltung angeschlossen, während die Basis 38 des Transistors über einen Gleichrichter 26 den Transformator der Leistungsschaltung' zugeordnet ist. Eine gemeinsame Leitung 40 liegt zwischen Widerständen 28 und 42, die dem Transistor 22 bzw. 34 zugeordnet sind, dem Mittelanschlußpunkt der Transistoren und dem Punkt niedriger Spannung der Ausgangsschaltung. Somit liegt eine Spannung zwischen den Anschlüssen 17 und 19 zwischen Source und Drain 24 bzw. 25 des Feldeffekttransistors und eine weitere Spannung an den Anschlüssen 44 und 19 zwischen Emitter und Kollektor 36 bzw. 37 des Bipolar-Transistors 34, wobei ein gemeinsamer Anschlußpunkt 19 durch die gemeinsame Leitung 40 gebildet wird. Beabsichtigt ist eine unabhängige Zustandsanzeige durch jedes Paar von Äusgangsanschlüssen 17-19 bzw. 44-19* so daß ein Zustands-. signal in dem oberen Abschnitt vorhanden ist, wenn der Leistungsregler im. AUS-Zustand ist, und ein Zustandssignal im unteren Abschnitt vorliegt, wenn der Leistungsregler im EIN-Zustand ist, so daß zu jeder Zeit eine „der Zustandssignale vorhanden ist, und eine der. Anzeigen 45' und 46 erregt wird.

In der vorliegenden Beschreibung und gemäß der Darstellung in Fig. sind zwei Spannungsquellen zwischen die Anschlüsse 17-19 bzw. 19-44 geschaltet. Stattdessen kann auch eine einzelne Spannungsquelle zwischen den Punkten 19 und 49 vorgesehen sein, die beide Spannungen an den Anzeigeschaltungen liefert.

Der Betrieb des Bipolar-Transistors 34 erfolgt derart, daß sein Bäsissignäl von dem gleichgerichteten Transformatorsignal abgeleitet wird, und immer dann ansteht, wenn der Leistungsregler im EIN-Zustand ist, so daß die Emitter-Kollektor-Strecke zwischen den Anschlüssen 36 und 37 dann leitet. Ist kein Basissignal vorhanden, d.h., befindet sich der Leistüngsr egler im AUS-Zustand, so erfolgt kein Stromfluß

in

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in der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors. Der den Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp , 22, enthaltende Schaltkreis arbeitet entsprechend dem Schaltkreis von Fig. 1. ·

Die nachstehende Tabelle gibt einen Überblick über als Beispiel gewählte geeignete Bauelemente und Schaltungswerte für die Schaltung gemäß Fig. 2; eine solche Schaltung hat sich im Betrieb bewährt.

FET (Verarmungstyp) 22 2N3972

Bipolar-Transistor 34 2N3700

Widerstand 28 5,000 Ohm

Widerstand 42 20,000 Ohm

Kondensatorspannung Vq . 5 Volt

Zustandsspannungen Vg jeweils 30 Volt

• (Maximalwert)

Zustandsströme Ig jeweils 10 mA

(Sollwert)

Es hat sich herausgestellt, daß die. beschriebene Schaltung in einem Temperaturbereich zwischen -40⁰C und +85⁰C effektiv arbeitet. Wenn der Feldeffekttransistor 22 leitet, beträgt der Spannungsabfall· zwischen Source und Drain 0,773 Volt maximal. Wenn der Bipolar-Transistor leitet, beträgt der Spannungsabfall zwischen Emitter und Kollektor 0,043 Volt maximal.

Bei dem vorstehenden Beispiel wurden die Zustandsspannungen und -ströme Vg und Ig ohne Verwendung von LED-Anzeigen gemessen.

Die vorliegende Erfindung schafft einen bedeutenden .Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, indem eine Festkörpe'r-Anzeigeschaltung zum Anzeigen des AUS-Zustands eines Leitungsreglers geschaffen wird, wobei die Anzeige des AUS-Zustands erfolgt, wenn der Leistungsregler nicht aktiviert ist. Es besteht die Möglichkeit der individuellen Anzeigeschaltung gemäß Fig. 1 oder die Kopplung mit einer EIN-

Zustandsanzeige-

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Zustandsanzeige-Schaltung, die ebenfalls vollständig als Festkörperschaltung ausgebildet ist, sowie, die Schaltung in Fig. 2. Die Erfindung . kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, vorzugsweise wird jedoch ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp eingesetzt, da ein derartiges Bauelement die gewünschten Ansprecheigenschaften auf ein zugeführtes Gatesignal aufweist, indem es die leitende Verbindung zwischen Source . und Drain beendet. Derartige Bauelemente, die einen weiten Parämeterbereich bis zu 40 Volt und 50 Milliampere abdecken, sind käuflich erwerbbar. Daher könnten der Leistungsregler selbst ebenso wie die Hilfsschaltungen vollständig aus Festkörperelementen gebildet werden, die sich durch hohe Zuverlässigkeit auszeichnen und geringe Leistungsaufnahme besitzen.

Claims

Patentansprüche

1. J Festkörper-Leistungsregler mit EIN-AUS-Anzeige, gekennzeichnet durch eine Festkörper-Leistungsregeleinrichtung (10) zum Regeln der Leistungszufuhr zwischen einer Stromversorgung (14) und einer Last (15), Ausgangsansehlüsse (17, 19) ' für ein Zustandsanzeigesignal, eine Einrichtung (12) zum Bereitstellen· eines Signals, das dsn AUS-Zustand der Leistungsregeleinrichtung (10) eindeutig angibt, mit einer Einrichtung (26, 27, 28) zum Erzeugen eines EIN-Signals, das den EIN-Zustand der Leistungsregeleinrichtung (10) anzeigt, eine Einrichtung, die auf das EIN-Signal anspricht, um das Leiten zwischen den Zustandssignal-Ausgangsanschlüssen zu unterbinden, und. die ein Halbleiterbauelement (22) mit einem ersten und zweiten Anschluß (24, 25) aufweist, wobei eine an den ersten und zweiten Anschluß angelegte Spannung (18) bei Fehlen eines EIN-Signals der Leistungsregeleinrichtung (10) ein AUS-Zustandssignal erzeugt, sowie mit einem dritten Anschluß (23), der das EIN-Signal empfängt und das Leiten zwischen dem ersten und zweiten Anschluß unterbindet.

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2. Festkörper-Leistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (22) ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist. '

3. Festkörper-Leistungsregler nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch.eine Einrichtung (26, 42) zum Bereitstellen eines Signals, das eindeutig einen EIN-Zustand der Leistungsregeleinrichtung (10) angibt, mit einer zusätzlichen Einrichtung (34), die auf ein ETN-Signal anspricht, um das Leiten zwischen Zustandssignal-Ausgangsanschlüssen (19, 44) einzuleiten, wobei die zusätzliche Einrichtung ein zweites Halbleiterbauelement (34) mit drei Anschlüssen (36, 3.7, 38) aufweist, und eine an den ersteh und zweiten Anschluß angelegte Spannung bei Auftreten des EIN-Signals von der Leistungsregeleinrichtung (10) ein EIN-Zustandssignal erzeugt, und ein dritter Anschluß (38) das EIN-Signal empfängt und das Leiten zwischen dem ersten und zweiten Anschluß (36, 37) einleitet, und wobei der zweite Anschluß (25) des zuerst erwähnten Halbleiterbauelementes (22) sowie der zweite Anschluß (36) des zweiten Halbleiterbauelementes (34) zu einem gemeinsamen Ausgangsanschluß (19) verschaltet sind.

4. Festkörper-Leistungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterbauelement (22) ein Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp und das zweite Halbleiterbauelement (34) ein Bipolar-Transistor ist:

5. Festkörper-Leistungsreglerr nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist zum Anlegen einer zweiten bzw. dritten Spannung, unabhängig von der ersten Spannung, an ein erstes bzw. zweites Paar von Zustandsanzeige-Ausgangsanschlüsen (17, 19; 19, 44), von denen jeweils ein Anschluß

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eines Paares zu einem gemeinsamen Anschluß (19) zusammenge.schaltet sind, daß ein Spannungsteiler (28, 42) eine vierte und fünfte Spannung zwischen den gemeinsamen Anschluß (19) und den ersten bzw. zweiten Steueranschluß (23; 38) des ersten bzw. zweiten-Halbleiterbauelementes (22; 34) legt, daß das erste Halbleiterbauelement (22) mit seinem ersten und zweiten Anschluß (24, 25) an das erste Paar von Ausgangsanschlüssen (17, 19) angeschlossen ist, um einen AUS-Zustand der Leistungsregeleinrichtung (10) anzuzeigen, wenn die vierte Spannung einen niedrigen Pegel aufweist, und daß das zweite Halbleiterbauelement (34) mit dem ersten und zweiten Anschluß (36, 37) an das zweite Paar von Ausgangsansehlüssen- (19, 44) angeschlossen ist, um einen EIN-Zustand der Leistungsregeleinrichtung (10) anzuzeigen, wenn die fünfte Spannung einen hohen Pegel aufweist.