NL8000560A

NL8000560A - Stroomkring voor automatische bescherming van vermogenstransistoren.

Info

Publication number: NL8000560A
Application number: NL8000560A
Authority: NL
Original assignee: Sp El Srl
Priority date: 1979-01-30
Filing date: 1980-01-30
Publication date: 1980-08-01
Also published as: DE3001632A1; FR2448243A1; JPS55107311A; CH639226A5; GB2042841A; DE3001632C2; IT1110628B; FR2448243B1; IT7919751A0; GB2042841B; US4355342A

Description

J ^

V

-1-

Aanvrager: SP.EL. s.r.l. te Milaan Italië.

Korte Aanduiding: Stroomkring voor automatische bescherming van vermo- genstransistoren. - ~

De uitvinding heeft een stroomkring ten doel voor de automatische be-5 scherming van vermogenstransistoren, in het bijzonder ten gebruike voor het schakelen van omzetters of dergelijke, bij toevallige afwijkingen, zoals bijvoorbeeld door kortsluiting. Het is bekend dat omschakelbare inrichtingen voor het toevoeren van gelijk- of wisselstroom aan electromoto-ren erg kritisch zijn wat hun bescherming aangaat tegen in- of uitwendige 10 kortsluiting of soortgelijke afwijkingen.

Zoals in feite bekend is zal de stroom naar de transistor tot de waarde 1 toenemen als de stroomdoorgang toeneemt, waardoor, indien de stroom tussen de collector en de emissor (door I aangegeven) sterk toeneemt en de spanning tussen collector en emissor (V ) toe zal nemen, de 15 mogelijkheid aanwezig is dat de transistor vernietigd wordt door de overmaat aan gedissipeerd vermogen.

Er zijn in wezen twee bekende systemen welke in principe gebruikt worden voor de bescherming van transistoren ; het eerste berust op het meten van de maximale stroom die automatisch bereikt wordt na kortsluiting 20 en het tweede berust op het magnetisch meten ervan. In het eerste geval wordt de stroomtoename bij kortsluiting gemeten door een nauwkeurige . drempelschakelaar ("trigger") waarvan het uitgangssignaal de omzetter

blokkeert. Dit systeem moet, om doeltreffend te zijn, de beide aanspreek-gebieden goed gescheiden houden, d.w.z. het nominale werkingsgebied en het 25 overschrijdingsgebied dat optreedt bij kortsluiting. In de praktijk zijn beide gebieden voor tenminste 20% van elkaar gescheiden ter compensatie van eventuele tijdsfouten door de componenten en de eventuele toleranties der componenten; zulks houdt het nadeel in van een afnemend gebruik van de .vermogensonderdelen, mede de transistoren omvattend, aangezien als gevolg 30 van dey toename der vereiste tolerantie, de stroommeetkring zeer nauwkeurig, snel en stabiel'dient te zijn en dientengevolge zeer gecompliceerd en duur. N

In het tweede geval veroorzaakt de magnetische meting van de waarde een blokkering van de stuurstroomkring van de transistor, doch met het na-35 deel van toevoeging van zeer dure uitwendige magnetische meetelementen of het niet doeltreffend zijn ervan bij langzaam optredende verschijnselen of door beïnvloeding van eventuele uitwendige capacitieve verstoringen. De Jf beschermingsstroomkring volgens de uitvinding elimineert al deze nadelen en verzekert een doeltreffende bescherming van de transistor waardoor de ΐΛ 800 0 5 60 % t ί * -2- laatste werkzaam kan zijn bij het maximale beoogde vermogen.

Volgens de uitvinding omvat de beschermingsstroomkring: a) - de vermogensstroomkring transistor of transistoren of de transisto- rensystemen welke beschermd moeten worden, aangeduid met "A"; . _ 5b)- een spanningsdrempelschakelaar (trigger), aangeduid met "B" welke de minimum spanning meet tussen de collector en de emissor (V ), zodanig dat ce als de spanning een Vooraf ingestelde waarde overschrijdt, de spanning aan de uitgang van de schakelaar positief wordt; dit signaal wordt met "V2" aangeduid; 10 c) - een "AND” st uurelectrode "C" tussen het besturingssignaal aan de basis van de transistor (met "V " aangeduid) en genoemd signaal V aan de uitgang van de schakelaar, zodanig dat. ingeval beide signalen positief zijn, daarmede een positief beschermingssignaal overeenkomt, met "V " aan- u geduid, dat van de AND stuurelectrode afkomstig is; 15 d) - een vertragingsinrichting "D" welke er toe dient foutieve signalen te elimineren welke een gevolg zijn van de schakeltijd van de transistor; e) - een geheugeneenheid "E" met een lage nominale uitgang (nagenoeg nul) "V ", welke in werking treedt, positief wordt en aanblijft bij aanwezigheid van een signaal "V^" dat tijdelijk gelijk positief is aan hetwelk af- 20 komstig is van de vertragingsinrichting "D"; f) - een trillingskring "E" voor het sturen van de vermogenstransistor A met het signaal V^, welke trillingskring geblokkeerd wordt als het signaal •V van de geheugeneenheid E positief wotdt, waardoor tengevolge van het

O

feit dat V nul wordt, de transistor beschermd wordt tegen vernieling door 25 de overmaat aan gedissipeerde energie.

Bij normale werking van de transistor onderscheidt men drie stadia: 1) - niet-geleidende toestand, waarbij de spanning tussen de collector en de emissor (V ) maximaal is en de stroom door de transistor nul is (I ); ce ce 2) - tussentoestand (schakelen) waarin de spanning V vermindert bij toe- ce 30 nemende stroom I bij.een toestandsduur van enkele microseconden.

C6

Bij afwijkende werking, zoals bij kortsluiting, dient de transistor als deze zich in geleidende toestand bevindt, beschermd te worden omdat hij anders snel tot het Vernietigingspunt komt als de stroom in sterke mate toeneemt tot voorbij zijn maximum bij nominale werking. Volgens de uitvin- 35 ding dient ter bescherming van de transistor'in de geleidende toestand de • "te spanningstoename tussen de collector en de emissor (V ) gemeten/worden en C6 de hoogte ervan wordt vergeleken met het besturingssignaal voor de basis <4**^ · van de transistor en de volgende gevallen doen zich achtereenvolgens voor:

|1 40 1) - bij uitgeschakelde transistor (V = 0) zijn de spanningen V en V

1 x C6 £* \\ /800 05 6 0 ,-. ... ' -3- -j» positief en alle overige neigen naar nul; 3) - bij geleiding" van de transistor en bij optreden van kortsluiting, waarbij V„ positief en V de waarde van de hoogte van de drempelschake-1 ce laar overschrijdt, wordt V positief en worden achtereenvolgens alle op-5 eenvolgende spanningen V , V , V positief zodat genoemde V -spanning de trillingskring blokkeert, de stroomkring naar de transistor onderbreekt en daardoor de vernietiging ervan. Zoals bekend is kunnen de transistoren van het p-n-p of n-p-n type zijn en de karakteristiek kan positief of negatief zijn.

10 Het hiervoor beschrevene heeft op transistoren van het p-n-p type be trekking met positieve karakteristiek maar. de mogelijkheid staat open tot het gebruik van verschillende transistorentypen en -karakteristieken.

Als variant, voor speciale stroomkringen kan, in plaats van het afsnijden van de basisstroom welke van de trillingskring afkomstig is, de 15 voorziening ter bescherming van de transistor bestaan uit het direct kortsluiten van de transistor of transistoren of het transistorsysteem een ultrasnelle smeltveiligheid (H) op te nemen en parallel met dezelfde transistor, of met genoemd transistorensysteem een bestuurde diode (G) of dergelijke. Treedt een afwijking op dan schakelt het signaal dat van de 20 geheugeneenheid afkomstig is, bij positieve waarde, de bestuurde diode (G) in die op zijn beurt de smeltveiligheid H doet doorsmelten, aldus de transistor of het transistorènsysteem heftig verbrekend met de stroomleiding.

Bij een transistorensysteem, zoals bijvoorbeeld als brugschakeling uitgevoerd, wordt een enkelvoudige ultragevoelige smeltveiligheid in serie op-25 gesteld met het systeem en is een enkelvoudige bestuurde diode parallel daaraan, zoals hiervoor aangegeven, voldoende.

Deze en andere kenmerken zullen duidelijk worden van de volgende beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeltf van de stroomkring van een omzetter volgens de uitvinding welke een p-n-p transistor met positieve karak-30 teristiek omvat.

- Fig., 1 toont het blokschema van de stroomkring zelf vanaf de stroomtoevoer; - Fig. 2 tonen diagrammen van de spanningsverschillen op de verschillende uitgangen onder normale omstandigheden en bij kortsluiting; 35 - Fig. 3 toont een variant van de stroomkring van fig. 1 met een ultrasnelle smeltveiligheid in serie- en een bestuurde diode in parallelschakeling; - Fig. 4 toont een transistorensysteem in brugschakeling met als variant een enkele smeltveiligheid in serie- en een enkele bestuurde diode opge- % 1 40 steld in parallelschakeling.

\ I 800 0 5 60 -4-

In fig. 1 bevindt de stroomkring voor de omzetter zich tussen de geleiders 1-2 en omvat een uitwendige stroomafnemerinrichting zoals een motor M welke gevoed wordt met gelijk- of wissel-stroom door het inschakelen van de stroomkring en omvat mede een uitwendige impedantie 3; tussen het aanslui-5 tingspunt 4- en de geleider 1 is ,met stippellijn getekend, een verbinding met schakelaar 5 getekend die een eventuele kortsluiting weergeeft.

De vermogenstransistor A is in serie geschakeld met de uitwendige · stroomafnemerinrichting en op bekende wijze gekoppeld tussen de collector c, de emissor e en de basis b en wordt bestuurd door een signaal, aange-10 duid door V^, dat toegevoerd wordt aan de basis b van de transistor. Op het aansluitingspunt 6 vóór de genoemde transistor A en parallel daaraan bevindt zich een spanningsdrempelschakelaar B (trigger) die de minimum-spanning meet tussen de collector en de emissor (V ) en als die spanning een gegeven waarde te boven gaat, vooraf ingesteld als drempelschakelwaar-15 de, dan wordt het signaal dat door de schakelaar wordt afgegeven, aangeduid met V , positief. De kring omvat achtereenvolgens vanaf de schakelaar B een "AND" stuurelectrode "C", opgesteld tussen het stuursignaal V naar de basis b van de transistor en het signaal V aan de uitgang van de scha-kelaar en als beide signalen positief zijn wordt een eveneens positief 20 signaal V afgegeven. Vervolgens komt in serie een vertragingsinrichting

O

D die bij ontvangst van signaal V rekening houdt met foutieve signalen van korte duur tengevolge * van de schakeltijd van de transistor A en waarbij ingeval de duur van dergelijke signalen, groter is dan de ingestelde vertraging van de vertragingsinrichting D, deze signalen niet geëlimineerd 25 worden en verschijnen als positief signaal V^. Dit laatste treedt een geheugen E binnen waarvap de uitgangsspanning V normaliter laag (of zelfs nul) is maar dat bij aanwezigheid van een positief signaal V ', als hiervoor besproken, eveneens een positief signaal V,. wordt.

In serie met het geheugen E is een trillingsbron F opgesteld waarvan 30 het uitgangssignaal de vermogenstransistor A bedient via de aanleg van de spanning V aan de basis b ervan. De trillingsbron F wordt geblokkeerd als het signaal V dat van het geheugen E afkomstig is, positief is. De 5

werking is als volgt, zie fig. 2. Bij normale werking kan de transistor A

zich bevinden in een toestand van tussenliggend buiten werking zijn of van 35 geleiding. In het eerste geval is V = 0, V en V„ positief maar V„, V. en 1 ce 2 3 4 • V zijn nul zoals blijkt uit het eerste deel van het diagram links, aange-5 duid met "OFF". In het overgangsgedeelte "INT" waarbij V élke .waarde kan ce aannemen en dat een.overgangsstadium is van korte duur die geen bescher-ming met zich meebrengt, is deze weggelaten en worden bovendien, door de 40 aanwezigheid van de vertragingsinrichting D, de werking in de vorm van \\ 800 0 5 60 * -5- r korte signalen (V ) welke van kortere duur zijn dan de ingestelde duur,

O

geëlimineerd'. Bij normale werking met de transistor A in de geleidende toestand (zie "ON" in het diagram) is de spanning aan de basis b van de transistor A positief, de spanning tussen collector en emissor V mini- ce 5 maal, hoewel onder de drempelwaardespanning V_ van de schakelaar, zodat V„ 5 2 aan de uitgang ervan nul is evenals de spanningen V , V en Vr en de om-

o O

zetter normaal werkt. In fig. 2 d) is getekend dat de AND stuurelectrode een positief signaal V van korte duur afgeeft bij elke omschakeling tij-

O

dens het schakelen, welk signaal echter niet door het geheugen E wordt ge-10 meten aangezien de vertragingsinrichting D ingesteld is op een langer signaal dan omschakelingstijd tussen nietgeleiding en geleiding van de transistor.

Bij kortsluiting, zoals fig. 2 met een vertikale gebróken lijn weergeeft, met de kortsluitschakelaar 5 zal, als die optreedt, doch in het 15 bijzonder onder de slechtste omstandigheden waarbij de transistor A zich in geleidende toestand bevindt, de spanning V snel toenemen volgens het ce gebogen lijnstuk 6 (fig, 2 b) aangezien de stroom het spanningsverschil tussen collector en emissor krachtig heeft doen toenemen.

Deze toename overschrijdt de waarde V van de schakelaar en wekt aan 5 20 de uitgangszijde een positief signaal V op. Op dat punt, met V en V te- A X ύ zelfdertijd positief, wordt een positief signaal aan de uitgangszijde opgewekt dat, door overschrijding van de vertraging van de vertragingsinrichting D, aan de uitgang ervan een positief signaal opwekt dat op zijn beurt het geheugen E vrijmaakt en in de korte tijd dt het blokkeren van de 25 trillingsbron veroorzaakt en dientengevolge het onwerkzaam worden van de transistor.

In de variant volgens fig, 3 is een ultrasnelle smeltveiligheid H in serie met de transistor A opgesteld en een bestuurde diode G is parallel aan de transistor opgesteld tussen collector c en emissor e. Als er een 30 afwijking optreedt schakelt het signaal V_ dat door het geheugen E wordt 5 uitgezonden, bij positieve waarde ervan, de bestuurde diode G in die op / zijn beurt de kortgesloten stroomkring onderhoudt door het doen smelten van de ultrasnelle 'smeltveiligheid H met als gevolg daarvan het onderbreken van de stroomkring en de bescherming van de transistor.

35 In fig. 4 is een transistorensysteem getekend, bijvoorbeeld opgesteld > in brugschakeling A1-A2-A3-A4, met een aantal elementen die elk door een gestippeld blok zijn aangeduid en waarvan elk de basis-stroomkring van JLj? fig· 1 bevat, behalve dat elk uitgangssignaal V van elk element in plaats yl van naar de trillingsbron F terug te keren zoals in fig. 1 beschreven, %% 40 toegevoerd wordt aan de stuurelectrode van een bestuurde diode G. De ge- y 800 05 60 -6- * noemde elementen staan met de leiding 1-2 in verbinding door middel van een ultrasnelle smeltveiligheid H die in serie is opgenomen. Indien tengevolge van enige afwijking tenminste een van de uitgangssignalen positief .wordt, wordt de bestuurde diode G ingeschakeld die op zijn beurt de lei-5 ding kortsluit hetgeen het doorsmelten van^ultrasnelle smeltveiligheid tengevolge heeft en het onderbreken van de stroomkring.

Dezelfde opmerkingen zijn van toepassing voor die gevallen waarin het type transistor en de gebruikte karakteristiek worden gewijzigd, zonder daarbij buiten het oogmerk van de onderhavige uitvinding te komen.

è \ k rectificatie van de beschrijving op blad 3 regel 16: "een" te vervangen door • "door in serie met de transistor, of transistoren of het transistorensys-teem een".

^ 800 0 5 60

Claims

1. Stroomkring voor automatische bescherming van vermogenstransisto-ren of meervoudige systemen van vermogenstransistoren op een of andere wijze in verbinding met schakelconvertoren of dergelijke, gekenmerkt doordat de stroomkring de transistor of transistoren omvat van do sterkstroom-5 kring of de te beschermen transistorsystemen, een spanningsdrempelschake-laar om de minimale spanning tussen de collector en de emissor waar te nemen waarbij het uitgangssignaal positief is als de drempelwaarde wordt overschreden, een "AND" stuurelectrode tussen het besturingssignaal voor de basis van de transistor en genoemd uitgangssignaal van de drempelvoeler 10 zodanig, dat ingeval genoemde signalen positief zijn, er een positief signaal aan de "AND" stuurelectrode ontstaat, een vertragingsinrichting voor het elimineren van foutieve signalen als gevolg van de schakeltijd van de transistoren, een geheugeneenheid met lage uitgangsspanning welke positief wordt en zelf zo aanblijft bij aanwezigheid van eenzelfde tijdelijk posi-15 tief signaal dat door genoemde vertragingsinrichting wordt uitgezonden, een oscillator voor het besturen van de basis van de vermogenstransistor, welke oscillator geblokkeerd wordt als het signaal afkomstig van de geheugeneenheid positief wordt, waardoor'de transistor onwerkzaam wordt, waar-zij de genoemde uitgangsspanningsvoorwaarden gewijzigd worden met betrek-20 king tot het transistortype en de gebruikte karakteristiek.

2. Stroomkringbescherming volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat het verloop van de spanning tussen collector en emissor bij de transistor wordt waargenomen en de grootte ervan vergeleken wordt met het besturings-25 signaal voor de basis van de transistor, een en ander zodanig, dat als de drempelwaarde bij het in werking zijn van de transistor wordt overschreden, de uitgangsspanningen positief.zijn totdat de basisspanning van de transistor geblokkeerd wordt. / 30

3) Stroomkringbescherming volgens een der voorafgaande conclusies, \ gekenmerkt doordat de vertragingsinrichting slechts ingesteld is voor het doorlaten van signalen die in duur de overgangstijd tussen niet-geleiding en geleiding van de transistor of transistoren overschrijden. 35

4) Stroomkringbescherming volgens een der voorafgaande conclusies, \ jf gekenmerkt doordat ingeval van kortsluiting als de transistor geleidend is, S de spanningstoename tussen collector en emissor ervan ontkoppeling veroor- \ S 1 t! zaakt van de spanning naar de basis bij overschrijding van de aanspreek- i 80 0 0 5 60 -3- tijd van de vertragingsinrichting, een en ander zodanig dat daardoor het onklaarraken van de transistor door zware overbelasting wordt vermeden.

5. Stroomkring volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat bij een gewij-5 zigde uitvoeringsvorm met de transistor een ultrasnelle smeltveiligheid in serie is geschakeld en parallelgeschakeld ermede een besturingsdiode aan welks basis het signaal aankomt, afkomstig van de geheugeneenheid, een en ander zodanig, dat bij een positief signaal de transistor of transistoren door de diode kortgesloten worden. 10

6. Stroomkring volgens conclusies 1 en 5, gekenmerkt doordat in een gewijzigde uitvoeringsvorm, in het geval van transistorsystemen, in het bijzonder bij een brugschakeling, gevormd door elementen die elk de elementaire stroomkring bevatten en onderling met de stroomtoevoer zijn ver- 15 bonden door middel van een ultrasnelle smeltveiligheid, het uitgangssignaal van de geheugeneenheid van elk element in werking treedt door een enkelvoudige besturingsdiode, parallel geschakeld met het gehele systeem, welke diode de leiding kortsluit, de smeltveiligheid doet smelten en de stroomkring onderbreekt. 20 ' / \ . w 800 0 5 60