NO168009B - Elektrisk koplingsanordning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen omfatter en anordning for å kople inn og ut elektrisk last på et elektrisk nett, som angitt i innled-ningen til patentkrav 1.

Elektriske koplingsanordninger fins i forskjellige utførelser, vanligvis under betegnelsen "relé". Kjente elektromagnetiske reléer har vært tilgjengelig i en årrekke, men er plasskrevende, energikrevende og genererer elektrisk støy ved kopling. De krever også en forholdsvis høg styre-effekt, og er derfor utelukket for direkte bruk til mange oppgaver, f.eks. hvor det kreves styring fra en datamaskin-utgang.

En annen type elektriske koplingsanordninger baserer seg på ren elektronikk, dvs. de foretar inn- og utkopling uten hjelp av mekaniske kontakter men nytter derimot halv-lederteknologi. Disse såkalte "SSR-reléer" ("solid state relay") er beheftet med store varmetap ved høge belast-ninger, særlig ved induktiv belastning. De krever derfor kjøling og utelukkes av denne grunn for mange oppgaver, særlig for lengere tids bruk. Et eksempel på en slik anordning er beskrevet i US patentskrift 4 751 401. Det er videre kjent drivere for slike "SSR-reléer", f.eks.

Motorola MOC3060 og Toshiba TLP3061 og tilsvarende. Dette

er optokoplere som har innebygget en nullgjennomgangs-føler. Anvendelsen av disse vil imidlertid ikke løse problemene med varmgang i "SSR-reléene".

De ovennevnte ulempene er langt på vei eliminert ved den innretningen som er beskrevet i US patentskrift 4 074 333. Innretningen beskrevet i nevnte patentskrift benytter seg av at lastkretsen først blir sluttet ved hjelp av en elektronisk koplingsanordning, en såkalt bidirektiv styrt kontaktløs bryter, deretter blir et mekanisk relé koplet inn og holder lastkretsen. Rekkefølgen for innkopling og utkopling styres av en egen enhet for sekvens-kontroll. For styring av triacen fins det en egen enhet,

som mottar signal fra sekvenskontrolleren via en fase-detektor. Fasedetektoren skal sørge for at koplingen skjer

når fasevinkelen i lastkretsen er lik null (nullgjennomgang). Et signal tilbakekoples fra styringsenheten for triacen til sekvenskontrollereren som sørger for, gjennom energiseringsenheten at det elektromekaniske reléet koples inn.

Fordelen som oppnås med innretningen beskrevet i US patentskrift 4 074 333 i forhold til direkte bruk av et elektromekanisk relé er at en unngår gnistdannelser ved inn og utkopling av lastkretsen, da denne på forhånd er sluttet av den kontaktløse bryteren. Dette gjør at en tar med seg fordelen fra begge typer av koplinger, "SSR"-teknologien gir en innkopling uten gnist, og det elektromekaniske reléet gir en permanent kopling uten vesentlig varmetap.

i

Ulempen med innretningen beskrevet i US patentskrift

4 074 333 er at den omfatter en relativt kompleks krets med flere relativt komplekse kretselementer. Om denne kretsen skal realiseres som beskrevet, med de kretselementer som forefinnes, vil dette bli uforholdsmessig dyrt. Videre vil det ta forholdsvis stor plass, slik at innretningen må bli stor og kostbar og dermed av mindre kommersiell interesse.

I EP 0 146 809 er vist en liknende innretning, der det imidlertid ikke er beskrevet en innkopling i nullgjennomgang. Den baserer seg på at optotriacen må tenne før releet slår inn. Det er ikke mulig direkte å erstatte optokobleren fra EP 0 146 809 med en driver som TLP 3061 eller tilsvarende, da denne krever en annen tidsforsinkelse av det mekaniske reléet. Den fasedetekterende optotriacen vil ikke nødvendigvis rekke å tenne før reléet slår inn. I

EP 0 146 809 er det meningen at optotriacen koples inn med en gang lysgiveren er aktivisert og uten noen tidsforsinkelse.

Komponentene som er anvendt i forbindelse med de ovenfor omtalte kjente anordningene, må nødvendigvis bli store, og de er vanskelige, for ikke å si umulige å miniatyrisere. Dette gjelder spesielt kondensatoren som skal forsinke et mekanisk rele i forhold til den lysemitterende delen av optokopleren ved innkopling. Dersom en da i tillegg må forsinke releet ytterligere med minst 10 mS (en halvperiode) blir denne komponenten stor og upraktisk i et industrielt produkt. Ved utkobling vil da den lysemitterende delen være aktivisert en lengre tidsperiode enn nødvendig, og triacen vil utvikle varme ved høy belastning.

Det er derfor et hovedformålet med oppfinnelsen er å skape en anordning som kan brukes for inn- og utkopling av ulike former for last på ethvert vekselstrømsnett, spesielt i de tilfeller der det er uønsket eller uholdbart at det dannes varme, høgfrekvente forstyrrelser ved inn eller utkoplinger eller der det er eksplosjonsrisiko. Det er spesielt lagt vekt på å framskaffe en løsning som er kompakt, enkel, driftssikker og rimelig å produsere. Et mer spesifikt formål er å forbedre tilsvarende anordninger slik at det oppnås en løsning som er enklere, billigere og krever mindre plass.

I samsvar med oppfinnelsen kan dette oppnås ved å gå fram som angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1. Ytterlige trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige kravene.

Foreliggende oppfinnelse bygger forsåvidt på de samme grunnprinsipp som innretningen i nevnte US patentskrift 4,074,333. I motsetning til denne er foreliggende oppfinnelse realisert med få, og enkle komponenter, noe som fører til at kretsen ikke vil være plasskrevende. Videre er komponentenes toleranser ikke kritisk for kretsens virkemåte. Alt dette bidrar til at prisen på den ferdige kretsen blir svært lav.

Et eksempel på utførelse av oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til tegningen, som viser et koplingsskjema.

Virkemåten av denne utførelsen er at det påtrykkes en styrespenning 11 som styrer inn og utkopling. Styrespenningen 11 er likespenning. Dersom vekselspenning skal anvendes, må denne likerettes (ikke vist på fig.l). Ved nærvær av styrespenning 11 vil en strøm flyte gjennom en diode 12, en motstand 13 og den lysemitterende siden av en optokopler 14a. Dette fører i sin tur til at den lysfølsomme delen av optokoplerén 14b trigges. Optokoplerén 14a og 14b er av en slik type som nyttes for styring av triac, og som i tillegg venter med å kople inn til fasevinkelen er lik null. Optokopler 14b er koplet til styreinngangen på en triac 21, som er i stand til å kople inn en last 22. Denne lasten kan være induktiv, kapasitiv eller rent ohmsk. Det at spenning blir tilført triac 21 har til følge at lasten 22 koples inn.

Samtidig med at styrespenning 11 trigger triac 20, vil samme styrespenning 11 gå i gang med å lade opp kondensatoren 18 gjennom en motstand 17. Kondensatoren 18 vil sammen med motstanden 17 danne et tidsforsinkelsesledd (RC-ledd), som etter et tidsrom bestemt av valgt verdi i motstand 17 og kondensator 18, vil opparbeide en spenning mellom basis på en transistor 19 og jord, slik at transistoren 19 vil lede strøm som så vil gå gjennom styrespolen til mekanisk relé 20a, og dette vil kople inn bryter 20b på reléet, som slutter lasten 22. Det at en transistor 19 nyttes for å forsterke spenningsnivået fra RC-kopling 17 og 18 medfører at en ikke trenger å opparbeide en så stor ladning i RC-leddet som ellers ville ha vært nødvendig, og følgelig kan kondensator 18 ha en betydelig mindre verdi.

Samtidig med at styrespenningen 11 trigger triac 21,

og går igang med å lade opp kondensator 18, vil den samme

i

styrespenningen 11 også gå igang med å lade kondensator 16 gjennom motstand 15. Motstand 15 og motstand 13 vil sammen med kondensator 16 danne et tidsforsinkelsesledd. Dette tidsforsinkelsesléddet har sin nytte ved utkopling av lasten 22.

Ved bortfall av styrespenning 11, vil RC-leddet som er dannet av motstand 15, motstand 13 og kondensator 16 sørge for at optoelektrisk kopler 14a og 14b fortsatt vil få tilført strøm i et tidsrom bestemt av nevnte RC-ledd. Transistoren 19 vil derimot straks slukke, slik at det elektromagnetiske reléet 20a og 20b vil åpne. Lastkretsen vil imidlertid være innkoplet av triac 21 helt til styrespenningen bortfaller ved at kondensatoren 16 er utladet i tilstrekkelig grad. For at triac 21 skal kople ut i nullgjennomgang, må tidskonstanten for RC-leddet som dannes av 13, 15 og 16, tilsvare minst en halv periode av lastkretsen 22. Den kan imidlertid godt være større, da det ér den fasedetekterende optoisolatoren som sørger for at utkopling skjer nøyaktig i nullgjennomgang. Dette gjør at komponentenes toleranser ikke er kritiske, og det kan nyttes rimelige komponenter for å oppnå et like godt resultat som en ville ha fått dersom en skulle ha nyttet mer nøyaktige og kostbare komponenter.

Ved anvendelse av optoisolator 14a og 14b for å kople inn og ut triac 21, oppnås dessuten galvanisk skille mellom styrekretsen 11 og lastkretsen 22.

Claims (4)

1. Koplingsanordning for innkopling og utkopling av elektrisk last (22) ved hjelp av et elektromagnetisk relé (20a, 20b) og en parallellkoplet bidirektiv styrt kontaktløs bryter (21), til hvilken er forbundet en optokopler (14a, 14b), der ved innkopling vil den bidirektive styrte kontaktløse bryteren (21) først kople inn lasten (22), og etter en viss tidsperiode koples det elektromekaniske reléet (20a, 2Qb) inn, og ved utkopling vil det elektromagnetiske reléet (20a, 20b) først kople ut, og deretter vil den bidirektive styrte kontaktløse bryteren (21) kople ut lasten (22)( i første eller senere nullgjennomgang, karaterisert ved at optokoplerén (14a, 14b) er en i og for seg kjent fasedetekterende optokopler (14a, 14b) med en integrert null-gjennomgangsdetektor, idet etter aktivering av den lysemitterende delen (14a) av optokoplerén (14a,14b), vil den integrerte nullgjennomgangsføleren detektere første etterfølgende nullgjennomgang i lasten, slik at den lysfølsomme delen (14b) av optokoplerén aktiverer den ibidirektive styrte kontaktløse bryteren (21) ved den første nullgjennomgangen i lasten, og at en første RC-kopling (17, 18), parallellekoplet reléspolen (20a), tidsforsinker innkoplinga av reléspolen (20a).

2. Koplingsanordning i samsvar med krav 1,karakterisert vedat reléspolen (20a) er seriekoplet méd en transistor (19) som forsterker spenningsnivået fra den første RC-koplingen (17, 18).

3. Koplingsanordning i samsvar med krav 1,karakterisert vedat utkoplinga tidsforsinkes ved hjelp av en andre RC-kopling (13, 15, 16).

4. Koplingsanordning i samsvar med krav 3,karakterisert vedat den andre RC-koplingen (13, 15, 16) har en tidskonstant større enn en halv periode i lastkretsen (22).