DE4217033C1 - Solid state relay using e.g. top-FET semiconductor switch - has transformer isolating control and power sections, and temperature-dependent resistor for detecting overheating - Google Patents
Solid state relay using e.g. top-FET semiconductor switch - has transformer isolating control and power sections, and temperature-dependent resistor for detecting overheatingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Relais mit einem Steuerteil, einem Leistungsteil einschließlich eines ein Potential schaltenden Halbleiters und einem den Steuerteil vom Leistungsteil galvanisch trennenden Übertrager, auf den eingangsseitig eine in einem Wechselspannungserzeugungskreis des Steuerteils erzeugte höherfrequente Wechselspannung angelegt wird und dessen Ausgangssignal nach Gleichrichtung auf den Eingang des Halbleiters geführt wird.The invention relates to a semiconductor relay with a Control section, a power section including a Potential switching semiconductor and a control part from the power section galvanically isolating transformer to the one in one on the input side AC voltage generating circuit of the control part generated higher-frequency AC voltage is applied and its Output signal after rectification to the input of the Semiconductor is performed.
Halbleiter-Relais, die im angloamerikanischen Sprachraum als "Solid-State Relay (SSR)" bezeichnet werden, sollen elektromechanische Relais in ihrer Funktion als Leistungsschalter bei gleichzeitiger Trennung des Steuerteils vom Leistungsteil ersetzen. Im Gegensatz zu den elektromechanischen Relais weisen die Halbleiter-Relais keine beweglichen mechanischen Bauteile mit den Nachteilen auf, die solchen mechanischen Kontakten innewohnen. Aus der Zeitschrift "EDN Electronic Technology for Engineers and Engineering Manager Worldwide (European edition)", 16. März 1992, Seiten 61-64 ist ein solches Halbleiter-Relais bekannt, bei dem die galvanische Trennung zwischen Steuerteil und Leistungsteil auf optischem Wege erfolgt. Bei Anliegen einer strombegrenzten Gleichspannung an dem Eingang des Steuerteils wird in diesem eine Leuchtdiode (LED) angeregt, um eine optoelektronische Kopplung mit einem im Leistungsteil angeordneten Photoelement zu erreichen. Das Photoelement seinerseits steuert mit dem von ihm erzeugten Photostrom einen das externe Potential schaltenden Halbleiter an, z. B. einen Transistor, Thyristor, Triac, FET und dergleichen.Semiconductor relay used in the Anglo-American language area Solid State Relay (SSR) electromechanical relays in their function as Circuit breaker with simultaneous disconnection of the Replace control section from power section. In contrast to the The semiconductor relays have electromechanical relays no moving mechanical components with the disadvantages that are inherent in such mechanical contacts. From the Magazine "EDN Electronic Technology for Engineers and Engineering Manager Worldwide (European edition) ", March 16 1992, pages 61-64 is such a semiconductor relay known in which the electrical isolation between Control section and power section is done optically. When a current-limited DC voltage is applied to the The input of the control part is a light emitting diode (LED) excited to use optoelectronic coupling a photo element arranged in the power section to reach. The photo element in turn controls with that of it generated the external potential switching semiconductor on, for. B. a transistor, Thyristor, triac, FET and the like.
Ein gattungsgemäßes Halbleiter-Relais ist aus der DE 89 01 435 U1 bekannt. Es sind keine Maßnahmen zur Überwachung der Temperaturentwicklung im Leistungsteil oder der Änderung der Umgebungstemperatur des Halbleiter-Relais vorgesehen. Es besteht somit die Gefahr, daß eine Temperaturüberlastung des Leistungsteils durch Umgebungstemperatur oder durch Kurzschluß oder Überlast im Leistungsteil selbst nicht sicher erfaßt wird.A generic semiconductor relay is from DE 89 01 435 U1 known. There are no measures to Monitoring the temperature development in the power section or the change in the ambient temperature of the semiconductor relay intended. There is therefore a risk that a Temperature overload of the power section Ambient temperature or by short circuit or overload in the Power section itself is not detected reliably.
Aus dem Buch Meyer, H.: Leistungs-Operationsverstärker und ihre Anwendung, München: Pflaum Verlag, 1991, Seiten 55-57 - ISBN 3 - 7905-0601-X ist ein Temperaturwächter bekannt, mit dem auf direktem Wege Schütze angesteuert werden können. Ein Temperaturfühler überwacht die zu erfassende Temperatur und übersteigt die Temperatur an diesem Fühler einen eingestellten Sollwert, so fällt das eine Schütz der Schaltung ab, während das an der Schütz anzieht. Bei Unterschreiten der vorgegebenen Temperatur zieht das eine Schütz an und das andere fällt ab. Das Temperatursignal des Meßfühlers wird auf einen Halbleiter gegeben. Die Wärmeentwicklung in dem Halbleiter selbst wird durch den temperaturabhängigen Widerstand nicht erfaßt. Ein nachhaltiges Abschalten des Leistungsteils erfolgt nichtFrom the book Meyer, H .: power operational amplifier and their application, Munich: Pflaum Verlag, 1991, pages 55-57 - ISBN 3 - 7905-0601-X a temperature monitor is known with which contactors can be controlled directly can. A temperature sensor monitors the temperature to be recorded Temperature and exceeds the temperature at this sensor a setpoint, one contactor drops out Switch off while the contactor picks up. At If the temperature falls below the specified one Contactor on and the other falls off. The temperature signal of the Sensor is placed on a semiconductor. The Heat development in the semiconductor itself is caused by the temperature-dependent resistance not recorded. A The power section is not switched off permanently
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Halbleiter-Relais zu schaffen, bei dem die externen und/oder internen Temperaturüberlastungen des Leistungsteils sicher erfaßt werden.It is the object of the present invention Generic semiconductor relay to create, in which the external and / or internal temperature overloads of the Power section can be detected safely.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am Halbleiter ein temperaturabhängiger Widerstand zur Erfassung der Wärmeentwicklung am Halbleiter vorgesehen ist, der in einem dem Wechselspannungserzeugungskreis vorgeschalteten Temperaturüberwachungskreis angeordnet ist derart, daß beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur am Halbeiterelement der Wechselspannungserzeugungskreis abgeschaltet wird. Hierdurch wird eine Dauerkurzschlußfestigkeit und Abschaltung des Leistungsteils bei Überlast erreicht. This object is achieved in that a semiconductor temperature dependent resistance to capture the Heat development is provided on the semiconductor in one upstream of the AC voltage generation circuit Temperature monitoring circuit is arranged such that when Exceeding a predetermined temperature on Semiconductor element of the AC voltage generation circuit is switched off. This creates a permanent short-circuit strength and switching off the power section in the event of overload.
Vorzugsweise ist in dem Steuerteil dem Übertrager ein Wechselspannungserzeugungskreis zur Erzeugung einer höherfrequenten Rechteckspannung bei Anlegen eines Schaltpotentials am Eingang des Steuerteils vorgeschaltet.In the control part, the transformer is preferably provided with an AC voltage generation circuit Generation of a higher-frequency square-wave voltage when a switching potential is applied to Input of the control section upstream.
Um eine Beaufschlagung des Steuerteils mit Gleich- oder Wechselspannungspotentialen zu ermöglichen, ist in bevorzugter Weise vorgesehen, daß der Steuerteil einen Signaleingangskreis mit einem Verpolungsschutz aufweist.In order to apply DC or AC potential to the control section enable, it is preferably provided that the control part has a signal input circuit with reverse polarity protection.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Signaleingangskreis eine Spannungs- und Strombegrenzung aufweist.It is also expedient if the signal input circuit has a voltage and Has current limitation.
Für die Ansteuerung des Halbleiters im Steuerteil ist es von Vorteil, wenn das Ausgangssignal des Übertragers nach seiner Gleichrichtung im Leistungsteil spannungsbegrenzt wird.For the control of the semiconductor in the control part, it is advantageous if the output signal the transformer is voltage-limited after it has been rectified in the power section.
Um ein zu hohes für den Leistungsteil unter Umständen zerstörend wirkendes Gleichspannungs- oder Wechselspannungspotential abzuleiten, wird dem Halbleiter vorzugsweise ein spannungsabhängiger Widerstand parallel geschaltet.Too high a DC voltage or possibly damaging to the power section Deriving alternating voltage potential is preferably a semiconductor voltage-dependent resistor connected in parallel.
In bevorzugter Weise ist der Halbleiter ein Top-FET. In diesem Bauelement ist eine Sicherheitsschaltung integriert, die sowohl die absolute Temperatur T als auch den relativen Temperaturgradienten dT/dt ermittelt. Ist der relative Temperaturanstieg pro Zeiteinheit, z. B. im Falle eines Kurzschluß, zu hoch, wird der Top-FET abgeschaltet. Durch diese Maßnahme wird eine weitergehende Zerstömung extrem angeschlossener Verbraucher und Einrichtungen vermieden. The semiconductor is preferably a top FET. There is a in this component Integrated safety circuit that both the absolute temperature T and the relative Temperature gradient dT / dt determined. Is the relative temperature increase per unit of time, e.g. B. in In the event of a short circuit, too high, the top FET is switched off. This measure will further destruction of extremely connected consumers and facilities avoided.
Zur Signalisation von Schaltzuständen ist erfindungsgemäß in bevorzugter Weise vorgesehen, daß eine Leuchtdiode zur Anzeige des Überlastzustandes im Temperaturüberwachungsschaltkreis und/oder eine Leuchtdiode zur Anzeige der Anlage eines Potentials am Wechselspannungserzeugungskreis vorgesehen sind.For signaling switching states, the invention preferably provides that a light emitting diode to indicate the overload condition in Temperature monitoring circuit and / or a light emitting diode for displaying the system Potentials are provided on the AC voltage generating circuit.
Hierbei wird bevorzugt, daß der Temperaturüberwachungsschaltkreis aus einem Operationsverstärker mit Rückkopplung und einem nachgeschalteten Transistor besteht, in dessen Emitter-Kollektor-Strecke die zweite Leuchtdiode eingeschaltet ist.It is preferred that the temperature monitoring circuit consists of a Operational amplifier with feedback and a downstream transistor, in whose emitter-collector path the second LED is switched on.
Da das erfindungsgemäße Halbleiter-Relais in bevorzugter Weise die üblichen Leistungs- Printrelais ersetzen soll, ist schließlich in bevorzugter Weise vorgesehen, daß die Schaltelemente des erfindungsgemäßen Halbleiter-Relais in einem für Leistungs-Printrelais üblichen Gehäuse pinkompatibel eingebaut sind.Since the semiconductor relay according to the invention preferably has the usual power Print relay should replace, it is finally provided in a preferred manner that the Switching elements of the semiconductor relay according to the invention in a for power print relays usual housings are installed in a pin-compatible manner.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying figures. Show it:
Fig. 1 einen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter-Relais und Fig. 1 is a circuit diagram of a preferred embodiment of the semiconductor relay according to the invention and
Fig. 2 eine Pinbelegung der in der Fig. 1 gezeigten Ein- und Ausgänge des Halbleiter-Relais. Fig. 2 shows a pin assignment of the inputs and outputs of the semiconductor relay shown in Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 weist das Halbleiter-Relais einen Steuerteil ST und einen Leistungsteil LT auf, die galvanisch durch einen Transformator TR1 getrennt sind. Das Steuerteil ST besteht aus einem Signaleingangskreis SEK mit Verpolungsschutz und Spannungs- und Strombegrenzung, einem Temperaturüberwachungskreis TÜK mit Überlastindikation und Sicherheitsabschaltung und einem Wechselspannungserzeugungskreis WSK.Referring to FIG. 1, the semiconductor relay on a control part and a power part ST LT, which are galvanically separated by a transformer TR1. The control section ST consists of a signal input circuit SEK with reverse polarity protection and voltage and current limitation, a temperature monitoring circuit TÜK with overload indication and safety shutdown and an AC voltage generation circuit WSK.
Der Leistungsteil LT besteht aus einem Gleichrichtungs- und Begrenzungskreis BGK und einem diesem nachgeschalteten dauerkurzschlußfesten Leistungshalbleiterschalter LHS mit Stromrichter und Überspannungsschutz.The power section LT consists of a rectification and limiting circuit BGK and one this downstream short circuit proof power semiconductor switch LHS with Power converter and surge protection.
Die beiden Schaltkreise WSK und GBK stellen zusammen mit dem Transformator TR1 einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler dar.The two circuits WSK and GBK together with the transformer TR1 galvanically isolated DC / DC converter.
Das Eingangspotential wird an die Pins 1 und 2 angelegt. An diese schließt sich ein von Dioden D1-D4 in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Weise aufgebauter Verpolungsschutz an. Zur Strom- und Spannungsbegrenzung sind in dem Signaleingangskreis der Widerstand R1 und die über dem zur Verfügung stehenden Potential liegende Z-Diode D5 vorgesehen.The input potential is applied to pins 1 and 2 . This is followed by a reverse polarity protection constructed by diodes D1-D4 in the manner shown in FIG. 1. To limit the current and voltage, the resistor R1 and the Z-diode D5 above the available potential are provided in the signal input circuit.
Im Temperaturüberwachungskreis TÜK liegen zwei Reihenschaltungen aus dem Widerstand R2 und einem temperaturabhängigen Widerstand R3 einerseits und aus einem Widerstand R4 und R5 andererseits parallel. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R2 und R3 ist über einen Widerstand R6 mit dem "-"-Eingang eines Operationsverstärkers IC1 verbunden, während der Verbindungspunkt der Widerstände R4 und R5 mit dem "+"-Eingang des IC1 verbunden ist. Der IC1 wird von dem anliegendem Potential gespeist und zwischen dem Ausgang des IC1 und dem "+"-Eingang ist ein rückkoppelnder Widerstand R7 geschaltet. Das Ausgangssignal des IC1 wird auf einen Transistor T1 geführt, in dessen Kollektorleitung eine Leuchtdiode LED1 zur Anzeige einer Überlast eingeschaltet ist.In the temperature monitoring circuit TÜK there are two series connections from resistor R2 and a temperature-dependent resistor R3 on the one hand and a resistor R4 and R5, on the other hand, in parallel. The connection point between the resistors R2 and R3 is over a resistor R6 connected to the "-" input of an operational amplifier IC1 while the connection point of resistors R4 and R5 is connected to the "+" input of IC1. The IC1 is fed by the applied potential and between the output of the IC1 and A feedback resistor R7 is connected to the "+" input. The output signal of the IC1 is led to a transistor T1, in the collector line of a light emitting diode LED1 Display of an overload is switched on.
Bei Anliegen eines Potentials wird über eine dann signalisierende Leuchtdiode LED2 Strom einem eine höherfrequente Rechteckspannung erzeugenden integrierten Schaltkreis IC2 zugeführt. Diesem liegt ein Kondensator C1 parallel sowie eine Reihenschaltung einer Diode D7, einer Zenerdiode D8, eines Widerstandes R8 und eines Kondensators C2. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R8 und dem Kondensator C2 ist mit den Eingängen 2 und 6 des IC2 verbunden, während der Ausgang 3 des IC2 mit dem Verbindungspunkt zwischen Zenerdiode D8 und dem Widerstand R8 verbunden ist. Parallel zu der Diode D7 und der Zenerdiode D8 liegt die Eingangswicklung des Transformators TR1.When a potential is present, current is supplied to an integrated circuit IC2, which generates a higher-frequency square-wave voltage, via a signaling LED2. This is a capacitor C1 in parallel and a series connection of a diode D7, a Zener diode D8, a resistor R8 and a capacitor C2. The connection point between resistor R8 and capacitor C2 is connected to inputs 2 and 6 of IC2, while output 3 of IC2 is connected to the connection point between zener diode D8 and resistor R8. The input winding of the transformer TR1 is connected in parallel with the diode D7 and the Zener diode D8.
Die Ausgangswicklung ist in der aus der Fig. 1 ersichtlichen Weise mit einer Schaltung aus vier Schottky-Dioden D9-D12 verbunden. Parallel zum Ausgang dieser Diodenschaltung liegen ein Kondensator C3, ein Widerstand R10 und eine Z-Diode D13.The output winding is connected in the manner shown in FIG. 1 to a circuit comprising four Schottky diodes D9-D12. A capacitor C3, a resistor R10 and a Zener diode D13 are connected in parallel with the output of this diode circuit.
Der von den Kreisen WSK und GBK, sowie dem Transformator TR1 aufgebaute DC/DC-Wandler ermöglicht ein hohes Energieübertragungsverhältnis vom Steuerteil zum Leistungsteil.The DC / DC converter built up by the WSK and GBK, as well as the transformer TR1 enables a high energy transfer ratio from the control section to the power section.
Das transformierte Signal wird nach der Gleichrichtung durch die Dioden D9-D12 und seiner Spannungsbegrenzung durch die Diode D13 auf den Eingang 1 eines Top-FET geleitet, der sowohl das über die Pins 3/4 bzw. 5/6 liegende extreme Potential schaltet als auch die im Top- FET integrierte Sicherheitsschaltung speist. Als Top-FET kann z. B. der Power-MOS- Transistor/Logic level TOPFET mit der Bezeichnung BUK101-50 GL der Fa. Philips Semiconductors eingesetzt werden. After rectification by the diodes D9-D12 and its voltage limitation by the diode D13, the transformed signal is passed to the input 1 of a top FET, which both switches the extreme potential lying on pins 3/4 and 5/6 as well the safety circuit integrated in the Top-FET feeds. As a top FET z. B. the power MOS transistor / logic level TOPFET with the designation BUK101-50 GL from Philips Semiconductors can be used.
Dem Drain-Anschluß D und dem Source-Anschluß S des Top-FET ist die aus der Fig. 1 ersichtliche Stromrichterschaltung aus Schottky-Dioden D14-D17 zugeordnet, wobei das zu schaltende Potential zwischen den Verbindungspunkten der Dioden D14 und D16 und dem Verbindungspunkt der Dioden D15 und D17 liegt.The drain connection D and the source connection S of the top FET is assigned to the converter circuit shown in FIG. 1 made of Schottky diodes D14-D17, the potential to be switched between the connection points of the diodes D14 and D16 and the connection point of the Diodes D15 and D17 is located.
Parallel zu der Reihenschaltung aus den Dioden D14, der Strecke D-S und der Diode D15 liegt ein spannungsabhängiger Widerstand R11, der ein evtl. auf das Leistungsteil zerstörend einwirkendes Potential schützend ableitet.Parallel to the series connection of the diodes D14, the section D-S and the diode D15 a voltage-dependent resistor R11, which may destroy the power section protective potential.
Die in der Fig. 1 gestrichelte Linie zwischen dem Top-FET und dem Widerstand R3 soll andeuten, daß der temperaturabhängige Widerstand R3 direkt am Top-FET montiert ist und dessen Wärmeentwicklung erfaßt. Die Widerstandsänderung des Widerstandes R3 wird von dem Temperaturüberwachungskreis TÜK erfaßt und schaltet beim Überschreiten eines zulässigen Maximalwerts den von den Schaltkreisen WSK-GBK gebildeten DC/DC-Wandler ab und signalisiert gleichzeitig durch die Leuchtdiode LED1 das Vorliegen einer Überlast.The dashed line in FIG. 1 between the top FET and the resistor R3 is intended to indicate that the temperature-dependent resistor R3 is mounted directly on the top FET and detects its heat development. The change in resistance of the resistor R3 is detected by the temperature monitoring circuit TÜK and switches off the DC / DC converter formed by the circuits WSK-GBK when a permissible maximum value is exceeded and simultaneously signals the presence of an overload by the LED1.
Bezüglich der Zusammenschaltung der einzelnen Bauelemente wird ausdrücklich Bezug auf die Fig. 1 genommen.With regard to the interconnection of the individual components, express reference is made to FIG. 1.
Die Fig. 2 zeigt die übliche Pinbelegung eines Printrelais. Fig. 2 shows the conventional pinout of a print relay.
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- 1992-05-22 DE DE19924217033 patent/DE4217033C1/en not_active Expired - Fee Related
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