DE4305882A1

DE4305882A1 - Schutzbeschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere Triac

Info

Publication number: DE4305882A1
Application number: DE19934305882
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Ing Herrs
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1994-09-01

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere Triac nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3.

Die Leistung elektrischer Verbraucher, beispielsweise Durchlauferhitzer, am Wechselstromnetz wird in vielen Fällen durch Halbleiterschalter, insbesondere Triacs, im Nulldurchgang der Netzspannung gesteuert. Als Leistungsschalter ist beispielsweise ein Triac vorgesehen, an dessen Steuerelektrode ein Nullspannungsschalter liegt, der ebenfalls mit einem Triac arbeitet.

Die Netzspannung ist häufig mit steilflankigen Störimpulsen überlagert. Treten solche Störimpulse im gesperrten Zustand des Halbleiterschalters auf, dann entsteht ein kapazitiver Verschiebungsstrom in den Sperrschichten des als Leistungsschalter arbeitenden Triacs bzw. des Triacs des Nullspannungsschalters. Überschreitet die Flankensteilheit des Störimpulses einen bestimmten Wert, dann schaltet der Triac durch, wobei er durch dieses "Überkopfzünden" oft zerstört wird.

Zum Schutze der Halbleiterschalter lassen sich spannungsabhängige Widerstände oder RC-Glieder parallel zur Schaltstrecke des Triacs schalten (vgl. P 42 23 511). Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine solche Schutzbeschaltung nur einen begrenzten Schutz gegen Zerstörung des Triacs durch "Überkopfzünden" bietet, insbesondere bei großer Flankensteilheit der Störimpulse.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzbeschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 3 vorzuschlagen, mit der eine Zerstörung des Halbleiterschalters durch "Überkopfzünden" vermieden ist.

Obige Aufgabe ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und/oder des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 3 gelöst.

Durch das zwischen der Steuerelektrode und einem Pol der Schaltstrecke des Halbleiterschalters liegende RC-Reihenglied führt ein Störimpuls mit steiler Anstiegsflanke zu einem zwangsläufigen Durchschalten des Halbleiterschalters. Dadurch wird zwar der Halbleiterschalter in einem Zeitpunkt durchgeschaltet, zu dem dies an sich nicht vorgesehen ist. Es ist jedoch vermieden, daß der Störimpuls den Halbleiterschalter durch "Überkopfzünden" zerstört. Ein "Überkopfzünden" kann nicht auftreten, da durch die Erfindung der Störimpuls nicht auf die gesperrte, sondern auf die von ihm selbst leitend geschaltete Schaltstrecke trifft.

Die Induktivität nach Anspruch 3 begrenzt im Falle des Überkopfzündens den über den Nullspannungsschalter fließenden Einschaltstrom und schützt ihn dadurch vor Zerstörung. Außerdem bildet die Induktivität zusammen mit der Eigenkapazität des Nullspannungsschalters einen Tiefpaß, der die Höhe und die Flankensteilheit der zum Nullspannungsschalter gelangenden Störimpulse begrenzt und auf diese Weise einem "Überkopfzünden" vorbeugt.

Die genannten Maßnahmen können je einzeln oder gemeinsam bei Ausführungsbeispielen angewandt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, bei dem beide Maßnahmen angewandt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Schutzbeschaltung eines von einem Nullspannungsschalter gesteuerten Triacs und

Fig. 2 eine Dreieckschaltung von Heizkörpern mit Fig. 1 entsprechenden Schutzbeschaltungen.

In Reihe zu einem Lastwiderstand (1), beispielsweise Heizkörper, liegt die Schaltstrecke eines Triacs (T), deren Pole mit (2, 3) bezeichnet sind. Zwischen der Steuerelektrode (4) des Triacs (T) und dem Pol (2) liegt die Reihenschaltung eines Widerstands (R1) und eines Kondensators (C). Zwischen die Steuerelektrode (4) und den Pol (3) sind Widerstände (R2) geschaltet, die im gesperrten Zustand des Triacs (T) dessen Steuerelektrode (4) auf ein bestimmtes Potential legen. Bei der Ausführung nach Fig. 1 liegt der Pol (3) am Nulleiter (N) des Wechselstromnetzes und der Pol (2) liegt über den Lastwiderstand (1) am Phasenleiter (L) des Wechselstromnetzes.

Zur Steuerung des Triacs (T) ist ein Nullspannungsschalter (NS) vorgesehen, der intern ebenfalls mit einem Triac arbeitet, dessen Schaltstrecke zwischen den Ausgängen (5, 6) des Nullspannungsschalter (NS) liegt. Eingangsseitig wird der Nullspannungsschalter (NS) von einer nicht näher dargestellten Steuerelektronik gesteuert. Der Ausgang (6) liegt an der Steuerelektrode (4). Zwischen dem Ausgang (6) und dem Lastwiderstand (1) liegen eine Induktivität (Lv) und ein Vorwiderstand (R3) in Reihe.

Parallel zu den Polen (2, 3) ist ein Varistor (V1) geschaltet. Parallel zu den Ausgängen (5, 6) liegt ein Varistor (V2).

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung ist etwa folgende:

Ist die Netzwechselspannung beispielsweise mit einem steilflankigen Störimpuls überlagert, dann gelangt dieser über den Kondensator (C) und den Widerstand (Rl) an die Steuerelektrode (4) des Triacs (T), weil der Kondensator (C) für einen Störimpuls großer Flankensteilheit als Kurzschluß anzusehen ist. Der Triac (T) wird dadurch leitend geschaltet, so daß der Störimpuls nicht mehr zu einem "Überkopfzünden" der Schaltstrecke des Triacs (T) führen kann und deshalb nicht die Gefahr der Zerstörung des Triacs (T) besteht.

Der Varistor (V1) bildet einen zusätzlichen Schutz, indem er bei hohen Störimpulsen niederohmig wird und somit Überspannungen ableitet. Der Varistor (V1) kann das RC-Glied (R1, C) nicht ersetzen, da er bei Störimpulsen hoher Flankensteilheit nicht schnell genug anspricht und auch nicht zum gezielten Durchschalten des Triacs (T) führen kann. Der Varistor (V1) ist nicht in allen Fällen nötig.

Der Triac des Nullspannungsschalters (NS) ist gegen eine Zerstörung durch Überkopfzünden durch die Induktivität (Lv) geschützt, weil diese den im Falle des Überkopfzündens fließenden Einschaltstrom begrenzt. Außerdem bildet die Induktivität (Lv) zusammen mit der Eigenkapazität des Nullspannungsschalters (NS) einen Tiefpaß. Dieser begrenzt die Höhe und die Flankensteilheit der zum Nullspannungsschalter (NS) gelangenden Störimpulse des Netzes. Damit ist einer Überkopfzündung vorgebeugt.

Der parallel zum Nullspannungsschalter (NS) liegende Varistor (V2) leitet Überspannungen ab, schützt dadurch den Triac des Nullspannungsschalters (NS) und führt zum kontrollierten Durchschalten des Leistungstriacs.

Bei steilen Störimpulsen ist der Wirkwiderstand der Induktivität (Lv) und des Vorwiderstands (R3) groß gegenüber dem Wirkwiderstand des Varistors (V2). Dies hat eine sichere Ableitung eines Störimpulses zur Folge.

Die beschriebenen Maßnahmen der Schutzbeschaltung des Triacs (T) bzw. des Nullspannungsschalters (NS) können je nachdem, inwieweit Zerstörungen zu befürchten sind, auch einzeln angewandt werden. Wenn die Steuerelektrode (4) des Triacs des Nullspannungsschalters (NS) zugänglich ist, kann auch bei diesem Triac ein RC-Glied wie beim Triac (T) vorgesehen werden.

Günstig bei der beschriebenen Schutzbeschaltung ist auch, daß billige Bauelemente kleiner Leistung verwendet werden können. Aufwendige Leistungsbauteile für die Schutzbeschaltung und Netzfilter erübrigen sich.

In Fig. 2 ist die Verwendung der Schutzbeschaltung bei einer Dreieckschaltung von Heizkörpern (1) zwischen den drei Phasen (L1, L2, L3) gezeigt. Den die Heizkörper (1) steuernden Triacs (T) ist die anhand von Fig. 1 beschriebene Schutzbeschaltung zugeschaltet. Jedoch ist auf den Varistor (V1) verzichtet.

Claims

1. Schutzbeschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere Triac, dessen Schaltstrecke in Reihe zu einer Last an dem Wechselstromnetz liegt und durch einen Schaltimpuls an dessen Steuerelektrode leitend schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode (4) und einem Pol (2) der Schaltstrecke ein RC-Reihenglied (R1, C) liegt, das steile Störimpulse des Wechselstromnetzes an die Steuerelektrode (4) in der Weise legt, daß der bzw. die Störimpulse den Halbleiterschalter (T) unabhängig von dem Schaltimpuls leitend schalten.

2. Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Reihenglied (R1, C) an dem Pol (2) der Schaltstrecke liegt, an dem auch die Last (1) liegt.

3. Schutzbeschaltung für einen Halbleiterschalter, insbesondere Nullspannungsschalter mit einem Triac, dessen Schaltstrecke über einen Vorwiderstand in Reihe zu einem Lastwiderstand am Wechselstromnetz liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Vorwiderstand (R3) eine Induktivität (Lv) geschaltet ist, die bei einem "Überkopfzünden" des Nullspannungsschalters (NS) durch steile Störimpulse des Wechselstromnetzes den über die Schaltstrecke des Nullspannungsschalters (NS) fließenden Einschaltstrom begrenzt.

4. Schutzbeschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (Lv) mit der Eigenkapazität des Nullspannungsschalters (NS) einen Tiefpaß bildet, der an der Schaltstrecke die Höhe und Flankensteilheit der Störimpulse begrenzt.

5. Schutzbeschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Schaltstrecke (5, 6) des Nullspannungsschalters (NS) ein Varistor (V2) geschaltet ist.