DE3612591A1

DE3612591A1 - Lastschalter

Info

Publication number: DE3612591A1
Application number: DE19863612591
Authority: DE
Inventors: Thomas Edwin Highland Heights Ohio Anderson; Edward Keith Simsbury Conn. Howell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1985-04-24
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 1986-11-06
Also published as: IT8620222A0; JPS61281420A; FR2581239A1; IT8620222A1; US4636906A; IT1190333B; CA1253245A

Description

9782.5-41PS-06315 General Electric Company

Lastschalter

Vl/ Die Verwendung eines Halbleiterelements an einem Paar Trennkontakten in einer elektrischen Schaltung zum Eliminieren von Lichtbogenbildung und zum Verhindern von Kontaktbeschädigung ist bereits bekannt. Es sind bereits verschiedene Schaltungen vorgeschlagen worden zum Einschalten des Halbleiters vor der Kontakttrennung, um dem Halbleiter zu gestatten, den Starkstrom von den Kontakten für eine ausreichende Zeit wegzuschalten, um die Kontakttrennung so zu vergrößern und die Kontakttemperatur so zu verringern, daß eine Lichtbogenbildung eliminiert wird. Andere Schaltungen sind bereits vorgeschlagen worden, um den Halbleiter abzuschalten, nachdem die Kontakte getrennt worden sind, um zu verhindern, daß das Halbleiterelement durch übermäßigen Starkstrom überhitzt und beschädigt wird.

Die Verwendung eines Kondensators in dem Basis-Kollektor-Kreis eines bipolaren Transistors an einem Paar Kontakten zum Einschalten des Transistors, wenn die Kontakte geöffnet werden, ist in der US-PS 4 438 472 beschrieben. Eine Diode in dem Basis-Emitter-Kreis des Transistors entlädt den Kondensator, wenn die Kontakte geschlossen sind. Es ist anzunehmen, daß die Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung in Haushalts- und Industriekraftnetzen einen zu großen Kondensator und eine zu große Diode erfordern würde, um eine solche Anordnung kommerziell realisierbar zu machen.

Die US-PS 3 601 622 beschreibt die Verwendung einer Speicherladungsdiode an einem Paar Kontakten zum Verhindern von Kontaktüberschlag. Wenn die Kontakte geöffnet werden, schließt die Diode die Kontakte kurz, um eine Lichtbogenbildung zu verhindern, bis die in der Diode gesammelte Ladung erschöpft ist. Die Erfindung ist für die Verwendung in Schwachstromschal tungen, wie beispielsweise einer Kraftfahrzeugzündanlage, beschrieben.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine billige und praktische Einrichtung zum Speichern von Ladung in einem Leishungstransistor zu schaffen, der an zwei trennbare Kon-

takte angeschlossen ist, so daß der Transistor einschaltet, wenn die Kontakte getrennt werden, um den Strom von den Kontakten wegzuschalten und eine Lichtbogenbildung zu eliminieren. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, den Transistor abzuschalten, nachdem die Kontakte getrennt worden sind, um den Strom auf ein spannungsabhängiges Element umzuschalten und dadurch den Strom zu unterbrechen, ohne den Transistor zu beschädigen.

Ein Leistungstransistor und ein Steuertransistor sind gemäß der Erfindung in einem Stromkreis mit zwei trennbaren Kontakten innerhalb eines geschützten Kraftnetzes angeordnet. Der Leistungstransistor ist an die Kontakte angeschlossen, um eine Lichtbogenbildung bei der Stromkreisunterbrechung zu eliminieren, und der Steuertransistor verbindet eine gesonderte Stromversorgung mit dem Leistungstransistor, um gespeicherte Ladung zu liefern. Nachdem die Kontakte eine ausreichende Strecke getrennt sind, wird die Stromversorgung abgeschaltet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Speicherladungs

schaltung, die in dem Lastschalter nach der Erfindung in einer Gleichstromschaltung benutzt wird,

Pig. 2 ein Schaltbild des Lastschalters nach der

Erfindung bei Verwendung in einer Wechselstromschaltung und

Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Speicher

ladungsschaltung, die in dem Lastschalter in einer Gleichstromschaltung verwendet wird.

Es ist eine Einrichtung erforderlich zum Einschalten des parallelen Leistungstransistors, sobald die Kontakte getrennt werden, zum Aufrechterhalten des leitenden Zustands für eine vorbestimmte Zeit, die ausreicht, um die Kontakttrennung zu gestatten, zum Abschalten und Abgeschaltethalten des Leistungstransistors, wodurch das spannungsabhangige Element leitend wird, um den Starkstrom von dem Transistor auf das spannungsabhängige Element umzuschalten. Das gewährleistet nicht nur, daß die Schaltungsenergie in dem spannungsabhängigen Element verbraucht und durch dieses unterbrochen wird, sondern daß auch der Leistungstransistor davor geschützt wird, durch eine transiente Spannung beschädigt zu werden, wenn große Fehlerströme in Haushalts- und Industriekraftanlagen geschaltet werden. Die Verwendung einer separat geschalteten Stromversorgung und eines Steuertransistors, um dem Leistungstransistor gespeicherte Ladung zu liefern, gestattet dem Leistungstransistor, nur für die Dauer der gespeicherten Ladung einzuschalten, die dann durch Kollektorstrom über den Leistungstransistor abgeleitet wird. In dem Zeitpunkt, in welchem der Leistungstransistor leitend wird, werden die Stromversorgung und der Steuertransistor abgeschaltet. Die Ladungsspeichereigenschaften des Leistungstransistors werden so gewählt, daß der Leistungstransistor innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne abgeschaltet wird, nach der das spannungsgesteuerte Element leitend wird.

Eine geeignete Speicherladungsversorgungsschaltung ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet und mit einem Leistungsbus 14 verbunden, der einen gesteuerten Schalter 11 zum Durchschalten und Unterbrechen von über Kontakte 12, 13 gehendem Starkstrom enthält. Ein Leistungstransistör Q₉ ist an die Kontakte angeschlossen, um den Starkstrom von den Kontakten wegzuschalten und den Kontakten zu gestatten, auf eine Temperatur unter der Glühemissionstemperatur abzukühlen und sich um ei-

ne ausreichende Strecke zu trennen, damit das Wiederauftreten eines Lichtbogens verhindert wird.

Wenn die Klemmspannung eines parallel geschalteten, spannung sge steuerten Siliciumcarbid- oder Metalloxidvaristors überschritten wird, wird der Varistor leitend, bis die in dem System gespeicherte Energie verbraucht ist und die Systemspannung unter die Klemmspannung gesunken ist, zu welcher Zeit der Strom durch den Varistor schnell auf null absinkt. Um zu- gewährleisten, daß der Leistungstransxstor in dem Zeitpunkt einschaltet, in welchem die Kontakte getrennt werden, ist ein Steuertransistor Q₁ in dem Basis-Kollektor-Kreis des Transistors Q₂ angeordnet. Der Kollektor von Q₁ ist mit dem Kollektor von Q₂ und mit dem Leistungsbus 14 auf einer Seite des Schalters 11 über einen Leiter 15 verbunden. Die Basis von Q₁ ist mit der Basis von Q₂ über Strombegrenzung swider stände R₁, R₂ verbunden. Der Emitter von Q₂ ist mit der anderen Seite des Schalters 11 durch einen Leiter verbunden. Zum Liefern von Betriebsstrom zu beiden Transistoren Q₁ und Q₂ ist eine Gleichstromversorgung 18 mit dem Emitter von Q₁ über einen Leiter 23 und mit R₁ und R₂ über einen Schalter 20 und einen Leiter 19 verbunden. Da der Schalter 20 nur Basistreiberstrom für die Transistoren führt, können die Kontakte 21, 22 im Vergleich zu den Leistungsbuskontakten 12, 13 ziemlich klein sein. Der Transistor Q₁ kann ebenfalls wesentlich kleiner als der Transistor Q₂ sein, da über Q₁ kein Starkstrom geschaltet wird.

Vor dem öffnen des Schalters 11 und bei geschlossenem Schalter 20 besteht ein erster Schaltungspfad von der Stromversorgung 18 über den Schalter 20 und den Widerstand R₁ und über den Emitter des Transistors Q₁ zurück zu der Stromversorgung 18. Der Basis-Emitter-Strom über Q₁ führt zur Sättigung von Q₁, was einen zweiten leitenden Pfad von der Stromversorgung 18 über den Schalter 20 und über den Widerstand R₂ zu der Ba-

sis-Kollektor-übergangszone von Q_ und den Leiter 15 sowie die Kollektor-Emitter-übergangszone von Q₁ zurück zu der Stromversorgung 18 gestattet, so daß Ladung in den Basis-Kollektor-Übergangszonen sowohl von Q₁ als auch von Q₉ gespeichert wird. Der Transport von Strom über die Basis und den Kollektor von Q₁ und Q- ergibt ausreichend gespeicherte Ladung zum Aufrechterhalten des leitenden Zustands in Q₁ und Q₂ für eine vorbestimmte Zeit, wenn der Schalter 11 geöffnet wird, um den Starkstrom zu unterbrechen. Der Schalter 20 ist vorzugsweise so angeordnet, daß er gleichzeitig mit dem Schalter 11 öffnet, damit die verbleibende Ladung in Q₁ und Q„ durch den Kollektorstromtransport zu der anderen Seite des Schalters 11 über den Leiter 16 abgeleitet werden kann. Wenn der Strom in dem Bus 14 wieder hergestellt werden soll, werden die Schalter 11 und 20 geschlossen, um Q₁ und Q₂ wieder mit gespeicherter Ladung zu versorgen.

Ein vollständiger Lastschalter 24 ist in Fig. 2 für eine Wechsel stromschältung gezeigt, in der ein Schalter 25 den leitenden Zustand zwischen Kontakten 26, 27 über einen Leistungsbus 28 steuert. Ein Brückengleichrichter, der aus Dioden D₁-D₄ besteht, liefert Gleichstrom über Leiter 31 und 32. Die Basisansteuerung zum Steuern eines Transistors Q₃ erfolgt durch eine Stromquelle 38 über einen Leiter 37, einen Schalter 39 und einen Widerstand R₃ zu der Basis-Emitter-Strecke von Q₃. Auf dieselbe Weise wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben sind die Kontakte 40, 41 in dem Schalter 39 viel kleiner als die Kontakte 26, 27 in dem Schalter 25, und die Nenndaten des Steuertransistors Q₃ sind wesentlich niedriger als die des Leistungstransistors Q.. Die in dem Leistungstransistor Q₄ gespeicherte Ladung wird durch den Transport von Strom aus der Stromversorgung 38 über den Schalter 39, den Widerstand R., die Basis-Kollektor-Strecke von Q₄ und zurück über den Leiter 33 und über die Kollektor-Emitter-Strecke von Q₃ zu der Stromversorgung 38 über den Leiter 36 geliefert. Durch richtige Wahl von R^, R. und der Ladungsspeicherungseigenschaften von Q₃ und Q₄ kann der Stromtransport über Q₄, wenn

- sr-

die Schalter 25, 39 geöffnet werden, so zeitgesteuert werden, daß Q₄ abgeschaltet wird, wenn der Schalter 25 die Spannung an dem Spannungsklemmvaristor 42 sicher aushalten kann. Das Abschalten des Leistungstransistors bewirkt, daß die Spannung an dem Varistor ihren Klemmspannungswert erreicht, um sofort den Starkstrom über den Leiter 29 und den Varistor 42 auf den Bus 28 über die Leiter 43 und 30 umzuschalten. Der Starkstrom durch den Varistor wird dann schnell auf null absinken, um den Stromkreis zu unterbrechen.

Eine zweite Schaltungsanordnung zum Liefern von gespeicherter Ladung in Gleichstromfällen ist in Fig. 3 gezeigt und mit 44 bezeichnet. Der Schalter 46 steuert den leitenden Zustand eines Gleichstromleistungsbusses 45 mittels zwei Kontakten 47, 48. Ein Leistungstransistor Q₅ ist an die Kontakte angeschlossen, um Starkstrom von den sich trennenden Kontakten auf die selbe Weise wegzuleiten, wie es oben mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 beschrieben worden ist. Anders als bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist kein Steuertransistor zum Transportieren von Strom über die Basis-Kollektor-Strecke des Leistungstransistors Q_n. erforderlich, um die erforderliche gespeicherte Ladung zu erzeugen, wenn die Schalter 46 und 54 geschlossen sind. Eine separate Stromversorgung 52 liefert Strom über einen Widerstand R₅ und Kontakte 55, 56 an die Basis des Leistungstransistors Q₁- über einen Leiter 51, über die Basis-Kollektor-Strecke von Q₁-, über den Leiter 49, über die Kontakte 47, 48 und über Leiter 50, 53 zurück zu der Stromversorgung 52. Eine Diode D₅ blockiert den Stromfluß in der Basis-Ermitter-Strecke von Q₅, wenn der Schalter 46 geschlossen ist. Der Schalter 54 wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem öffnen des Schalters 46 geöffnet, wodurch gespeicherte Ladung in dem Leitungstransistor Q₅ ermöglicht, Strom von dem Schalter 46 über den Leiter 50 zu leiten, bis die gespeicherte Ladung verbraucht ist, woraufhin der Leistungstransistor Q- abschaltet und der Strom zu dem spannung sabhängigen Element 42 geht, das auf einer Spannung ist, die wesentlich höher ist als die Stromversorgungsspannung,

wodurch der Strom gezwungen wird, schnell auf null abzusinken.

Es ist somit zu erkennen, daß gespeicherte Ladung der Basis-Kollektor-Übergangszone eines bipolaren Transistors zugeführt werden kann, der an trennbare Kontakte in einer Leistungsbusschaltung angeschlossen ist, damit der Transistor beim öffnen der Kontakte sofort eingeschaltet werden kann, um den Starkstrom zu unterbrechen. Der Strom durch den Leistungstransistor verringert schnell die gespeicherte Ladung und gestattet das Abschalten des Transistors, um zu verhindern, daß der Transistor durch übermäßigen Strom beschädigt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Lastschalter, gekennzeichnet durch:

einen Leistungstransistor (Q₂), der an zwei trennbare Kontakte (12, 13) angeschlossen ist, zum Wegschalten des Starkstroms von den Kontakten (12, 13), wenn die Kontakte zum ersten Mal getrennt werden; und

eine elektrische Quelle (18) zum Abgeben von gespeicherter Ladung an die Basis-Kollektor-übergangszonen des Leistungstransistors (Q₂), wenn die trennbaren Kontakte (12, 13) geschlossen sind.

2. Lastschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Steuertransistor (Q-), der mit einem Kollektor an dem Leistungstransistor (Q₂) und mit der elektrischen Quelle (18) verbunden ist, um eine leitende Verbindung zwischen der elektrischen Quelle (18) und dem Leistungstransistor (Q„) herzustellen.

3. Lastschalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen ersten Widerstand (R₁) zwischen der Steuertransistorbasis und der elektrischen Quelle (18) zum Begrenzen des Basistreiberstroms zu dem Steuertransistor (Q₁).

4. Lastschalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zweiten Widerstand (R₂) zwischen der Leistungstransistorbasis und der elektrischen Quelle (18) zum Begrenzen des Basistreiberstroms zu dem Leistungstransistor (Q₂).

5. Lastschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeinet durch einen Schalter (20), der mit den trennbaren Kontakten (12, 13) verbunden ist, wodurch das öffnen der Kontakte (12, 13) den Schalter (20) öffnet und das Schließen der Kontakte (12, 13) den Schalter (20) schließt.

6. Lastschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Emitter des Steuertransistors (Q,) mit der elektrischen Quelle (18) verbunden ist, um eine leitende Verbindung über den Steuertransistor (Q,) zwischen der Basis und dem Emitter des Steuertransistors (Q,) herzustellen.

7. Lastschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein spannungsabhängiges Element (42), das an den Leistungstransistor (Q-) angeschlossen ist, zum Wegschalten des Starkstroms von dem Leistungstransistor (Q₂)# wenn die gespeicherte Ladung erschöpft ist.

8. Lastschalter, gekennzeichnet durch:

einen Leistungstransistor (Q.), der an zwei trennbare Kontakte (26, 27) in einer geschützten Wechselstromschaltung angeschlossen ist, zum Wegschalten von Starkstrom von den Kontakten (26, 27), wenn die Kontakte (26, 27) zum ersten Mal getrennt werden;

eine Stromversorgungseinrichtung (38), die mit einer Basis an dem Leistungstransistor (Q.) über einen Schalter (39) und über einen Steuertransistor (Q₃) verbunden ist, um gespeicherte Ladung zu der Basis-Kollektor-Übergangszone des Leistungstransistors (Q.) zu leiten, wenn der Schalter (39) und die Kontakte (26, 27) geschlossen sind, zum Einschalten des Leistungstransistors (Q₄)/ wenn die Kontakte (26, 27) zum ersten Mal getrennt werden;

eine Gleichrichtereinrichtung (D,-D.) in der Schaltung mit den trennbaren Kontakten (26, 27) zum Abgeben von Gleich-

strom an den Leistungstransistor (Q.) und an den Steuertransistor (Q₃), wenn die Kontakte (26, 27) getrennt werden; und

eine spannungsabhängige Einrichtung (42), die mit dem Leistungstransistor (Q.) verbunden ist, zum Wegschalten des Starkstroms von dem Leistungstransistor (Q₄), wenn die Kontakte (26, 27) getrennt werden und nachdem die gespeicherte Ladung erschöpft ist.

9. Lastschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen des Steuertransistors (Q₃) und des Leistungstransistors (Q.) mit der Stromversorgung (38) über Strombegrenzungswiderstände (R₃, R₄) verbunden sind.

10. Lastschalter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung (38) an einen Emitter und eine Basis des Steuertransistors (Q₃) angeschlossen ist, um Basis-Emitter-Strom durch den Steuertransistor (Q₃) zu leiten und diesen leitend zu machen.

11. Lastschalter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollektor des Steuertransistors (Q3) mit dem Leistungstransistorkollektor verbunden ist, um eine leitende Verbindung über den Steuertransistor (Q₃) zu der Basis und dem Kollektor des Leistungstransistors (Q₄) herzustellen und die gespeicherte Ladung zu der Basis-Kollektor-Übergangszone des Leistungstransistors (Q₄) zu leiten.

12. Lastschalter, gekennzeichnet durch:

einen Leistungstransistor (Q₅), der an zwei trennbare Kontakte (47, 48) über eine Diode (D₅) angeschlossen ist, zum Wegschalten von Gleichstrom von den Kontakten (47, 48), wenn die Kontakte zum ersten Mal getrennt werden; eine Stromversorgungseinrichtung (52), die mit einer Basis des Leistungstransistor (Q₅) und mit einem der trennbaren

Kontakte (48) über einen Schalter (54) verbunden ist, um einen Basis-Kollektor-Strom an den Leistungstransistor (Q,-) zum Vesorgen der Leistungstransistorbasis mit gespeicherter Leistung abzugeben, wenn die trennbaren Kontakte (47, 48) und der Schalter (54) geschlossen sind, wodurch der Leistungstransistor (Q₅) einschaltet, wenn die Kontakte (47, 48) zum ersten Mal getrennt werden, um den Starkstrom von den Kontakten wegzuschalten, wobei der Leistungstransistor (Q₅) abschaltet, wenn die Kontakte (47, 48) getrennt werden und der Schalter (54) geöffnet wird, durch Erschöpfung der gespeicherten Ladung aus dem Leistungstransistor (Qc)·

13. Lastschalter nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen Widerstand (R-) in der leitenden Verbindung zum Begrenzen des Basis-Kollektor-Stroms in dem Leistungstransistor (Q₅).

14. Lastschalter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die trennbaren Kontakte (47, 48) und der Schalter (54) so angeschlossen sind, daß sie gleichzeitig öffnen und schließen.

15. Lastschalter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein spannungsabhängiges Element (42) an dem Leistungstransistor (Q₅) zum Wegschalten des Starkstroms von dem Leistungstransistor (Qc)/ wenn der Leistungstransistor (Q₅) abschaltet.