NO310847B1 - Strömbegrenser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en strømbegrenser til begrensning av overstrømmer ved hjelp av et halvlederelement med minst en styrbar halvleder som har karakteristikker som en felteffekttransistor (FET).

Ved vernekoblingsapparater, som effektbrytere, motorvernbrytere eller ledningsvernbrytere og allment ved automatiske effektbrytere er det ønskelig å detektere opptredende overlaststrømmer, særlig kortslutningsstrømmer raskt og begrense dem til minst mulige verdier og til slutt koble dem ut. Ved de viktigste mekaniske automatiske effektbrytere, eksempelvis ved ledningsvernbrytere, benytter man såkalte hurtigutløsere ved hvilke såvel magnetkretsen som også et magnetanker, ofte et stempelanker som slår kontaktsystemet hurtig og kraftig av, er optimalt utført. Til tross for dette er det i praksis ennå ikke oppnådd noe kortere kontaktåpningstid enn noen få millisekunder. Kortslutningsstrømmen stiger derved uhindret inntil kontaktåpningen. Først etter kontaktåpningen oppstår en lysbue som raskt føres inn i et lysbuekammer og på slukkeplater avkjøles ved oppdeling av lysbuen. Ved hjelp av de herved høye lysbuespenninger begrenses kortslutningsstrømmen og kobles til slutt ut.

Ved kjente automatiske effektbrytere oppnår man ved en mulig kortslut-ningsstrøm på 6 kA, cos cp = 0,6 og \\ i = 60° neppe noen mindre strømtids-verdier enn: Koblingsstrøm på 4000 A, stigetid til toppverdien på 4 ms og et integral av strømkvadratet over tid på 30000 A^s.

Det er i blant blitt foreslått å benytte halvledere til strømbegrensningen i vernekoblingsapparater. Dette blir i praksis vanskeliggjort eller forhindret ved forskjellige omstendigheter: Halvlederelementer har som regel en utilstrekkelig strømbegrensende virkning og et for lite tillatelig energiopptak.

Halvlederelementer har som regel i normal drift en ledningsmotstand større enn 10 milliohm ved 16 A.

Som regel har halvlederelementer også en for lav overslagsfasthet.

Hensikten med oppfinnelsen er å utvikle en strømbegrenser av et halvlederelement med minst en styrbar halvleder ved hvilken de tidligere vanlige ulemper ved halvlederkoblinger er redusert til et teknisk anvendelig omfang.

Løsningen av den angitte hensikt fås i henhold til oppfinnelsen med en strømbegrenser i hejnhold til krav 1.1 den forbindelse blir den til påstyringen av halvlederelementet nødvendige styrespenning utvunnet av minst en del av laststrømmen som går gjennom halvlederelementet. Styrespenningen kan

i

også utvinnes av minst en del av spenningsfallet på halvlederelementet. Man kan også oppnå styrespenningen ved hjelp av begge tiltak.

En kjent effektbrytér (WO 93/11608) virker som strømbegrenser til begrensning av overstrømmer ved hjelp av et halvlederelement med minst en styrbar halvleder med en el'ektronkilde (kilde), en elektronsamler (dren) og en styreelektrode (grinjd) som styrer elektronstrømmen og som har karakteristikkene til en felteffekttransistor (FET) slik at laststrømmen går gjennom halvlederelementet bg slik at ved vekselspenning kobles to FET antiserielt. For dette er det sørget for en ekstern styrespenning.

Midlet til påstyringjpå basis av spenningsfallet kan i henhold til oppfinnelsen være en til dren og date på halvlederen tilkoblet styrekrets. Som middel til påstyring fra laststrømmen egner seg i hvert tilfelle en

strøm/spenningsomformer som ligger i laststrømmen.

Styrekretsen ved likespenning kan i enkleste tilfelle bestå av en motstander som er koblet mellom dren-tilkoblingen og grind-tilkoblingen på en FET. En styrekrets ved vekselspenning kan i enkleste tilfelle være oppbygget slik at dren-tilkoblingene på to antiserielt koblede FET i hvert tilfelle er forbundet over en ventil og o^er en motstand med grind-tilkoblingen. En slik kobling egner seg i forbindelse med FET av anrikningstypen, altså med selvsperrende FET som har en n-kanal, som startkobling som gjør det mulig for strømbegrenseren å kjøres opp til driftstilstanden. En slik startkobling er ikke nødvendig når man benytter selvledende FET med n-kanal, altså av deplesjons-typen og særlig egner seg deplesjons-MOSFET.

Som styrekrets ved likespenning egner seg også en konstantstrømkilde som er koblet mellom dren-tilkoblingen og grind-tilkoblingen. En styrekrets kan ved vekselspenning fordelaktig være oppbygget slik at dren-tilkoblingene på to antiserielt koblede FET i hvert tilfelle over en ventil og over en konstantstrømkilde er forbundet med Grind-tilkoblingene.

i

Som strøm-spenningsomformer til påstyring fra laststrømmen egner seg særlig en transformator på hvis sekundærvikling det er tilkoblet et i begge polaritetsretninger spenningsbegrensende element, særlig to antiserielt koblede zenerdioder, hvis utganger over en likeretterkobling er forbundet med grind-tilkoblingene. Som antiserielt koblede zenerdioder blir her alle elementer inkludert som virker som en strømbegrensende zenerdiode. Ved vekselspenning blir da karakteristikkene i første og tredje kvadranter et diagram med dren-kilde-strømmen på ordinaten over dren-kilde-spenningen på abscissen begrenset til en ønsket dren-kilde-strøm.

Bruken av en transformator mellom to antiserielt koblede FET som induktans til begrensning av kortslutningsstrøm er gjenstand for en egen patentsøknad av eldre dato (dokumentreferanse 92 116 358.0, fig. 4, fig. 7). Ved denne benyttes transformatoren samtidig til å fastholde en ekstern styrespenning som skal påtrykkes.

Ved strømbegrensere med en transformator utvinnes i utførelsen som strøm-spenningsomformer styrespenningen fra laststrømmen, altså internt. Videre oppnås den fordel at laststrømmen kan føres i en lavohmig primærvikling med færre vindinger og at sekundærsiden lar seg utføre høyohmig med mange vindinger for å avlede en spenning for påstyringen fra laststrømmen. Ved det spenningsbegrensende element blir det herved oppnådd at dren- . kilde-strømmen tapsfritt begrenses til en kurve med den tilsvarende parameter som grind-kilde-spenningen.

Det er fordelaktig å koble en likeretterkrets til en transformator på en sekundærvikling og innkoble en kondensator mellom

likespenningspotensialpunktene for styrespenningen, i detalj som angitt i krav 7. Kondensatoren kan eventuelt også dannes av grind-kilde-kapasitansen til FET, når denne har en tilstrekkelig størrelse. Det er ved bruk av spenningsbegrensende elementer fordelaktig å tilordne disse som zenerdioder i en brokobling, slik det i detalj er angitt i krav 8.

Likeretterkoblingen kan fordelaktig også være utført som en spenningsmultiplikatorkobling i henhold til krav 9.

Endelig kan strøm-spenningsomformeren i henhold til krav 10 være en vibrasjonsomformer med en etterkoblet spenningsmultiplikator, hvorved man kan utvinne styrespenningen fra laststrømmen uten en transformator. Løsningen i henhold [til oppfinnelsen og dens fordeler kan videreføres når felteffekttransistoreriIe er fremstilt av silisiumkarbid, SiC. Herved støttes innbyrdes de i og for seg kjente fordeler til en FET av silisiumkarbid og de til en strømbegrenser i henhold til et av patentkravene.

En strømbegrensning i forbindelse med organer til påstyring fra spenningsfall eller fra laststrøm lar seg generelt oppnå ved en kobling i henhold til krav 12.

i

Endelig er det for intern utvinding av styrespenningen i henhold til krav 13 også mulig å anordne en styreinnretning til ytterligere ekstern påstyring på halvlederelementet. Det kunne da påtrykkes korrigerende styrespenninger utenfra. Det er ved en påstyring utenfra i henhold til krav 14 også mulig å generere en spenning som sperrer halvlederelementet når det fås et gitt inngangssignal. En slik strømbegrenser virker da som utkobler. En slik strømbegrenser lar seg generelt utføre med halvledere som har de omtalte, særlige egenskaper.jstrømbegrenseren kan være utført som integrert krets på en brikke, med diskrete komponenter eller i en hybrid konstruksjon.

j

Det kan for bestemte anvendelsestilfeller være fordelaktig å anordne minst en mekanisk koblinlgskontakt i henhold til krav 15 i serie med halvlederelementet.' Det er da tilstrekkelig med en forholdsvis enkel koblingskontakt uten særlige slukkemidler, da strømøkningen begrenses av strømbegrenseren. På den annen side beskytter koblingskontakten når den åpnes, strømbegrenjseren mot langtidsoverlast. Dette samspill muliggjør fordelaktige konstruksjoner.

i

En vernebryter utført som automatisk effektbryter med to antiserielt anordnede felteffekttransistorer og en mekanisk koblingskontakt er i og for seg kjent (WO 93 ill608). Ved denne eldre som effektbryter utførte vernebryter er en enhet av releer og koblingskontakter parallellkoblet til to antiserielt forbundne felteffekttransistorer. Koblingskontaktene er der anordnet for sammenkoblingen av felteffekttransistorene i serie. Den indre motstand i halvlederelementet har imidlertid ved en bestemt styrespenning en lav verdi og med stigende spenninger på arbeidselektrodene stiger den indre motstand sprangvis, slik at utløsningsleddet til releet kan forsynes med spenning og innlede utkoblingsforløpet.

Virkemåten til strømbegrenseren med en i serie anordnet mekanisk koblingskontakt skiller seg grunnleggende herfra. Koblingskontakten kan i

i

i

henhold til krav 16 direkte eller indirekte over et kraftlager stå i inngrepsforbindelse med et magnetsystem som avhengig av strømbegrenseren åpner koblingskontakten.

Et særlig gunstig samvirke av halvlederelement og magnetsystem for koblingskontakten oppnås ved en utførelse i henhold til krav 17. Magnetsystemet har en i forhold til sekundærviklingen sammenligningsvis lavohmig primærvikling og danner på den ene side transformatoren til utvinding av en styrespenning fra laststrømmen. På den annen side danner magnetsystemet med sin lavohmige primærvikling samtidig magnetiseringsviklingen for det magnetsystem hvis anker står i virkningsforbindelse med koblingskontakten. Herved oppnås en flerfoldig utnyttelse av konstruksjonselementer i en kombinert anordning. Særlig kan ankerluftgapet overdekkes av et hjelpeåk i henhold til krav 18, slik at det fås en godt sluttet magnetisk krets for strøm-spenningsomformeren og som er dimensjonert på en slik måte at den allerede ved forholdsvis små strømmer går i metning.

Herved blir hverken funksjonen til ankeret eller den til magnetkretsen for strøm-spenningsomformeren i praksis forringet. For dette er arbeidsluftgapet følgelig overdekket av et hjelpeåk som er dimensjonert slik at det går i magnetisk metning allerede ved strømmer som er mindre enn den ønskede magnetiseringsstrøm for magnetankeret.

Halvlederelementet kan generelt benyttes i en automatisk effektbryter, som eksempelvis en effektbryter, en ledningsvernbryter eller i en motorvernbryter eller i andre vern, som strømbegrensende del med funksjonen til en såkalt begrenser. Slik det kan forstås, kunne halvlederelementet og den mekaniske koblingskontakt i hvert tilfelle være romlig adskilte koblingsinnretninger.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i tilknytning til på tegningen grovt skjematisk gjengitte utførelseseksempler. Fig. 1 viser et første, forenklet utførelseseksempel på strømbegrenseren, idet påstyringen, respektive styrespenningen utvinnes fra spenningsfall over halvlederelementet. Fig. 2 viser en strømbegrenser hvis styrespenning utvinnes fra laststrømmen. Fig. 3 viser en strømbegrenser hvis styrespenning utvinnes fra spenningsfallet over halvlederelementet. Fig. 4 viser en strømb| egrenser hvis styrespenning utvinnes fra laststrømmen og fra spenningsfall over halvlederelementet. Fig. 5 viser en enkel jvidereutvikling av strømbegrenseren. Med en strøm-spenningsomformer mellom to antiserielt forbundne felteffekttransistorer utvinnes styrespenningen fra laststrømmen på en særlig fordelaktig måte. Videre blir en koblingskontakt innsatt i serie med strømbegrenseren.

i

Fig. 6 viser en strømbegrenser med koblingskontakt og hvor det på sekundærsiden av strøm-spenningsomformeren i en brokobling er anordnet antiserielt koblede zenerdioder som spenningsbegrensende elementer. En kondensator er koblet inn mellom likespenningspotensialpunktene for styrespenningen på sjekundærsiden. Et spenningsbegrensende element på primærsiden blir deryed overflødig.

I

Fig. 7 viser skjematisk for en strømbegrenser i henhold til fig. 6 bruken av en spenningsmultiplikator. Fig. 8 gjengir for påstyringen av laststrømmen et annet utførelseseksempel av en strømbegrenser, hvoretter en strøm-spenningsomformer er utført som en avbryter med etterkoblet spenningsmultiplikator. Fig. 9 viser i tilknytning til gjengivelsen på fig. 5 prinsippet for styrespenningsgenerering fra laststrøm. Fig. 10 viser i tilknytning til gjengivelsen på fig. 5 et grunnprinsipp hvoretter styrespenningsgenereringen ved bruk av en strøm-spenningsomformer er delt i en hjelpespenningsgenerering fra sekundærsiden og en spenningsgenerering for grind-elektrodene. Fig. 11 viser i tilknytning til gjengivelsen på fig. 10 hvordan en ekstra ekstern påstyring kan skje.

i

Fig. 12 gjengir en alternativ utførelse for et kommandoelement for en ytterligere ekstern påstyring i henhold til fig. 11. Fig. 13 viser et utførelseseksempel på en videreutvikling av en strømbegrenser, hvoretter en transformator utført som strøm-

I

l

spenningsomformer er kombinert med magnetsystemet for betjening av koblingskontakten. Fig. 14 gjengir over det utførlige symbol for en selvsperrende felteffekttransistor i utførelse med n-kanal og derunder det her i søknaden tilsvarende forkortede symbol. Fig. 15 gjengir et diagram i tilknytning til hvilket funksjonsmåten til strømbegrenseren skal anskueliggjøres. Fig. 16 viser et magnetsystem for en strømbegrenser og med dets arbeidsluftgass overdekket av et hjelpeåk som er dimensjonert på en slik måte at det går i magnetisk metning allerede ved strømmer som er mindre enn den ønskede magnetiseringsstrøm for magnetankeret.

Halvlederelementet 1 på fig. 1 arbeider i utførelseseksemplet med felteffekttransistorer 3, i det følgende kalt FET. I utførelseseksemplet kan FET 3 tilsvarende den øvre gjengivelse på fig. 14 forstås som slike av anriktingstypen, som er selvsperrende og eksempelvis har en n-kanal. I den annen gjengivelse på fig. 14 er det her benyttede, forkortede symbol gjengitt. På fig. 1 er det vist en strømbegrenser for vekselspenning og som ved to polariteter som skal kobles, arbeider med to antiserielt koblede FET 3. For påstyring av halvlederelementet, respektive av felteffekttransistorene blir den nødvendige styrespenning utvunnet fra spenningsfallet ved at det på FET i hvert tilfelle på dens dren-tilkobling 7 er tilkoblet en seriekobling av en ventil 4, f.eks. en diode, og en motstand 5 som på den annen side er forbundet med grind-tilkoblingen 6 på FET 3. Ved vekselspenning og to antiserielt koblede FET er det følgelig på dren-tilkoblingene 7 i hvert tilfelle over en ventil 4 og over en motstand 5 skaffet en forbindelse til grind-tilkoblingene 6. Kilde-tilkoblingene 8 på FET 3 er forbundet innbyrdes.

Når nå et potensial skal kobles, er som orientert i henhold til fig. 1 den øvre eller nedre FET 3 i forbindelse med den tilordnede ventil 4 og motstanden 5 tilstrekkelig. Kilde-tilkoblingene 8 kan da være ført til jord.

I utførelseseksemplet på fig. 1 er det ved to antiserielt forbundne FET 3 som spenningsbegrensende element 9, mellom grind-tilkoblingene 6 og forbindelsen 10 av kilde-tilkoblingene 8 på de antiserielt forbundne felteffekttransistorer 3 innkoblet en zenerdiode. Forbindelsen 10 fører laststrømmen. ■

Grind-spenningen'til de antiserielt forbundne felteffekttransistorer 3 blir følgelig utvunnet over ventilene 4 og over motstanden 5. Ved det spenningsbegrensénde element 9 blir grind-spenningen begrenset og dermed en maksimalt gående kortslutningsstrøm.

i

På fig. 2 er det vist hvordan styrespenningen Us utvinnes som funksjon av laststrømmen I, u|§ = f(I). På fig. 3 er det vist at styrespenningen Ug kan fås som funksjon av spenningsfallet U over halvlederelementet Us = f(U). På fig. 4 er det vist hvordan styrespenningen Us skal fås som funksjon av laststrømmen og som funksjon av spenningsfallet over halvlederelementet: US = f(I) og US <=>j <f>(U).

Ved videreutviklingen i henhold til fig. 5 er det som strømbegrenser koblet en mekanisk koblingskontakt 2 i serie. Strømbegrenseren arbeider med to antiserielt forbundne felteffekttransistorer som med sine kilde-tilkoblinger er innbyrdes forbundet via en strøm-spenningsomformer 11 over dens primærvikling 12: Vesentlig er ytterligere i den forbindelse at det på strømspenningsomformeren 11 på dens sekundærside respektive på dens sekundærvikling 13 er tilkoblet et i begge polaritetsretninger spenningsbegrensende element 14, spesielt to antiserielt koblede zenerdioder 15. De sekundærsidig tilkoblede zenerdioder 15 begrenser spenningen på sekundærsiden, hvorved det på primærsiden på grunn av omformingsforhdldet til spenningsomformeren 11 nå bare fås et spenningsfall på noen få ti millivolt. På primærsiden blir også den gjennom felteffekttransistorene 3 gående laststrøm begrenset av strøm-spenningsomformeren på grunn av den tapsfattige begrensning av spenningen på sekundærsiden. Denne virkning står i samspill med den halvlederteknisk betingede begrensning på grunn av den særlige påstyring av felteffekttransistorene 3. På den annen side gjør omformingsforholdet til strøm-spenningsomformeren 11 det mulig å føre en forholdsvis høy spenning som grind-kilde-spenning til primærsiden, hvorved ON-motstanden reduseres. RoN får man vec^ store grind-kilde-spenninger. Virkningen skal senere omtales Jdetalj i tilknytning til fig. 15.

I

i

i

I

Ved utførelseseksemplet på fig. 5 er det på strøm-spenningsomformeren 11 på dens sekundærside videre tilsluttet en likeretterkobling 16 som på den ene side er tilkoblet grind-tilkoblingen 6 på felteffekttransistorene 3 og på den annen side over en midtklemme 18 primærviklingen 12.1 utførelseseksemplet oppfyller en kondensator 19 som lagringskondensator en dobbeltfunksjon: For det første skiller den likespenningspotensialpunktene 17 for styrespenningen og på den annen side sikrer den at det i strøm-spenningskarakteristikken til halvlederelementet 3 med de antiserielt koblede felteffekttransistorer 3 ikke i ethvert tilfelle er nødvendig med en økning til ON-motstanden mellom de parameterbetingede karakteristikker for grind-kilde-spenningen i de første og tredje kvadranter, men også at det ved vekselspenning mellom den første og den tredje kan arbeides på ON-motstanden. Dette skal dessuten forklares i tilknytning til fig. 15. For denne annen funksjon benyttes kondensatoren 19 i utførelseseksemplet på fig. 6. Der er likespenningspotensialpunktene 17 til likeretterkoblingen 16 også tilveiebragt uten kondensatoren 19.

Ved strømbegrenseren i henhold til fig. 5 blir strøm-spenningsomformeren 11 ikke som vanlig terminert med en motstand, men ved zenerdiodene 15 i det spenningsbegrensende element 14. Ved uttaket av likespenningspotensialpunktet 17 blir det på primærsiden av omformeren tilført en grind-likespenning, som henholdsvis utvider eller erstatter hjelpespenningsgenereringen på primærsiden, slik det er omtalt i forbindelse med fig. 1. På sekundærsiden av strøm-spenningsomformeren 11 blir det eksempelvis ved en zenerspenning på ca. 9,1 V og en flytespenning på ca. 0,9 V oppnådd en spenning i en retning på zenerdiodene 15 og som i sum utgjør ca. 10 V. Når det også i primærviklingen 12 går en tilstrekkelig stor strøm til at den induktive motstand overvinnes, fås det på primærsiden på grunn av de sekundærsidige 10 V en spenning tilsvarende omformingsforholdet til spenningsomformeren 11. Eksempelvis opptrer ved et omformingsforhold på 1 til 1000 også på primærviklingen 12 en spenning på bare 10 mV.

Koblingen på fig. 5 funksjonerer i detalj som følger:

Når det på tilkoblingsklemmene 20 og 21 til den automatiske effektbryter påtrykkes en spenning, eksempelvis som følge av en innkoblet forbruker, går det over henholdsvis ventilene 4 eller diodene en strøm alt etter vekselspenningens polaritet, og det ligger på grunn av spenningsfallet over

I

motstanden 5 med hensyn til den positive klemmespenning ved 20 et redusert positivt potensial pa grind-tilkoblingene 6, slik at det på • felteffekttransistorene 3 ligger en grind-kilde-spenning som åpner og bringer dren-kilde-området til ON-tilstanden. Den på grunn av primærviklingen 12 til strøm-spenningsomformeren 11 gående strøm genererer på den høyohmige sekundærvikling en spenning som ved oppnåelse av zenerspenningen til den øvre eller den nedre zenerdiode 15 begrenses til zenerspenningen med tillegg av flytespenningen i den annen zenerdiode og det i begge til vekselspenningen tilordnede strømretninger. På sekundærviklingen 13 dannes det herved en tilnærmet firkantet vekselspenning som over diodene 22 for likerettingen i koblingen av en toveis likeretter på kondensatoren 19 genererer en likespenning av størrelsen til zenerspenningene til hver av zenerdiodene 15. Denne likespenning blir tilført de to grind-kilde-områder i felteffekttransistorene 3, hvorved disse holdes i ON-tilstanden, uten at det er

I

nødvendig med et ytterligere spenningsfall over motstanden 5. Med andre ord går det ikke lenger jnoen strøm gjennom motstanden 5.

i

I utførelseseksemplet på fig. 6 er det som spenningsbegrensende element 14 dannet en brokoblihg av fire zenerdioder 15. Ved denne kobling blir et strømbegrensende element 9 på primærsiden av strøm-spenningsomformeren II overflødig. En koblingskontakt 23 er igjen anordnet i serie.

Amplitudene til vekselspenningen i sekundærviklingen 13 til strøm-spenningsomformeren 11 kan holdes mindre, når en

spenningsmultiplilcatorkrets 24 er koblet etter det spenningsbegrensende element 14, slik dette er vist på fig. 7.

For påstyringen frå laststrømmen kan strøm-spenningsomformeren i henhold til fig. 8 være utført som en vibrasjonsomformer 39 med etterkoblet spenningsmultiplik!atorkrets 24. Ved vibrasjonsomformeren 39 has den på en motstand 55 ved laststrøm opptredende spenning. Til begrensning av spenningsfallet og for å minimere tapseffekten, er det fordelaktig å anordne et spenningsbegrensende organ 40. I utførelseseksemplet kan det være to antiparallelt koblede dioder som over motstanden 5 begrenser spenningsfallet til ledningsmotstahden til diodene,

i

På fig. 9 er genereringen av styrespenningen mellom grind-tilkoblingene og kilde-tilkoblingene 8 på felteffekttransistorene 3 gjengitt skjematisk.

I

Genereringen av styrespenningen kan deles i en styrespenningsgenerering 25 i starttilfellet og en hjelpespenningsgenerering 26, slik dette er blitt omtalt i detalj i tilknytning til fig. 5.

Oppbyggingen av en strømbegrenser med styrespenningsforsyning 25 og hjelpespenningsforsyning 26 er skjematisk angitt på fig. 10. Styrespenningsforsyningen 25 kan være utført som startkrets, slik at styrespenningen i normaldrift da overtas av hjelpespenningsforsyningen 26.

For dessuten å kunne påstyre halvlederelementet eksternt, kan det være anordnet en ekstern påstyringsinnretning 41 i henhold til fig. 11. Når betjeningskontakter 42 sluttes, kortsluttes grind-kilde-spenningen, slik at en selvsperrende felteffekttransistor FET går over i sperretilstanden.

Den eksterne påstyringsinnretning 41 kan også arbeide med halvlederkontakter 43 som på fig. 12.

På fig. 13 er det på den ene side gjengitt en fordelaktig utførelse av anordningen på fig. 10, idet hjelpespenningsbehandlingen skjer ved en spenningsmultiplikatorkobling og på den annen side er det gjengitt en videreutvikling, hvoretter den lavohmige primærvikling står i virkningsforbindelse med et anker 27 som skal bringes i inngrepsforbindelse med koblingskontakten 23. En slik utførelse er særlig kostnadsgunstig, da strøm-spenningsomformeren 11 og magnetsystemet 36 som over ankeret 27 åpner koblingskontakten, konstruktivt og funksjonelt kombineres. Dessuten kan det være anordnet et kraftlager 38 i form av en koblingslås. På den lavohmige primærvikling 12 som driver ankeret, kan det i den forbindelse være anbragt en høyohmig vikling med mange vindinger som sekundærvikling 13. Herved kan et lite hjelpeåk 37, sammenlign fig. 16, slutte den magnetiske krets for funksjonen til strøm-spenningsomformeren 11. Dette hjelpeåk er fordelaktig dimensjonert slik at det allerede ved forholdsvis små strømmer går i metning, slik at funksjonen til det på koblingskontakten 23 virkende anker 27 praktisk talt ikke påvirkes. Den lavohmige primærvikling 12 kan bestå av færre vindinger, eksempelvis 2-4 vindinger, og et gunstig spenningsområde for hjelpespenningsgenereringen kan på sekundærsiden heves til en ønsket spenningsverdi ved hjelp av spenningsmultiplikatorkretsen. Spenningsmultiplikatorkretsen består av komponentene. Kondensatorer 28 og 19, hvor kondensatorene 19 samtidig tilveiebringer likespenningen for påstyringen av felteffekttransistorene 3, samt diodene 29, sorti i den gjengitte krets samtidig besørger likerettingen.

Styrespenningsforsyriingen 25 på fig. 13 viser en mulighet for å generere en beredskaps-karakteristikk. De vesentlige komponenter for dette er transistoren 30 og motstandene 131, 132 og 133. Denne koblingsdel arbeider som følger: Når på grunn av øket strøm, slik den eksempelvis opptrer ved kortslutning, den strømbegrensende virkning av felteffekttransistorene 3 setter inn, stiger spenningen på klemmene 20 og 21. Denne spenning forekommer ved brolikeretteren som ved hjelp av diodene danner ventilene 4 og ved hjelp av diodelegemene, også betegnet som inversdioder, som danner felteffekttransistorerie 3. Som diodelegeme forstår man som kjent hvert grensesjikt, særlig en for en MOS-FET egen indre diodevirkning av pn-overgangen fra kildej til dren. Diodelegemene er vist betegnet med 31. Den på den omtalte brolikeretter påtrykte spenning has også på seriekoblingen av motstandene 131 ogjl33, hvorved det på motstanden 133 inntreffer et spenningsfall som påstyrer transistoren 30 til en ledende tilstand. På grunn av størrelsen av motstanden 132 kan det kobles inn en grind-kilde-spenning som ved stigende spenning på klemmene 20 og 21 stadig blir mindre og dermed reduserer en laststrøm gjennom felteffekttransistorene 3. Det gjengitte utførelseseksempel viser bare en mulighet til å generere en beredskaps-karakteristikk i henljold til oppfinnelsens prinsipper. Som kjent kan det med en operasjonsforsterker genereres enhver ønsket karakteristikk.

I

På fig. 14 er øverst yist det fullstendige symbol for en FET og nederst det forkortede symbol, slik det benyttes i den foreliggende beskrivelse. De vanlige forkortelser| for dren, grind og kilde er innført, samt den positive retning av dren-kildje-strømmen. Gjengivelsen i henhold til fig. 14 viser en FET av anriknings-typen, altså en selvsperrende FET som har en n-kanal. Særlig skal gjengivelsen på fig. 14 forstås som en MOSFET. Slik det skal forstås, kan de gjengitte koblinger i henhold til fig. 1-13 også realiseres helt med andre tilsvarende komponenter, spesielt ved hjelp av andre felteffekttransistorer. Således er det ved bruken av p-kanal-felteffekttransistorer bare nødvendig å foreta den vanlige polaritetsomvending. Det er vesentlig at karakteristikkene kan realiseres slik de er vist på fig. 15j, dvs. for likespenning innstilles en maksimal strøm uavhengig av spenningen og at det for vekselspenningen råder slike forhold i to diagonalt motsattte kvadranter. De her eksempelvis i tilknytning til

i

bestemte felteffekttransistorer gjengitte koblinger skal ses i denne ålmenne forstand.

I tilknytning til fig. 15 skal virkningsprinsippene ved strømbegrenseren forklares.

Fig. 15 gjengir et diagram hvor dren-kilde-strømmen Irjs er avsatt på ordinaten og dren-kilde-spenningen Uqs er avsatt på absissen. En FET av den her omtalte art, slik den er forklart i tilknytning til fig. 14, har fra leverandøren en karakteristikk 32 som ved negativ dren-kilde-spenning går over i karakteristikken 33 til diodelegemet. De horisontale karakteristikker fås ved en parameter grind-kilde-spenning og begrenser grind-kilde-strømmen ved tilsvarende bestykning. Ved høye grind-kilde-spenninger oppnås en steilere ON-motstand R()N- Ved antiseriell kobling av felteffekttransistorer i tilfelle av vekselspenning oppnås det en symmetrisk arbeidsmåte mellom de første og tredje kvadranter, idet karakteristikken 33 til diodelegemet ikke lenger har noe å si. Med en kobling med en strøm-spenningsomformer av den omtalte art oppnås det en stigning til over karakteristikken 35 som går over i den rette linje for den fysisk på forhånd angitte ON-motstand til de benyttede felteffekttransistorer.

En økning for hver polaritetsretning av en vekselspenning unngås i en antiseriell anordning av felteffekttransistorene, når det benyttes en kondensator 19 som lagringskondensator på den omtalte måte. Den strømbegrensende virkning av de antiserielt koblede felteffekttransistorer utfolder seg da mellom en valgt horisontal karakteristikk med den tilsvarende grind-kilde-spenning som parameter i de første og tredje kvadranter i forbindelse med en overgang av karakteristikken 34 for ON-motstanden. Herved virker flaten mellom karakteristikken 32 og en i den første kvadrant valgt karakteristikk som ligger til venstre, som en tapsreduksjon, hvilket fremgår anskueliggjort av produktet av dren-kilde-strømmen og dren-kilde-spenningen. Mulighetene til de omtalte prinsipper blir ved hjelp av bruken av felteffekttransistorer av silisiumkarbid utvidet i betydelig grad. Halvlederelementet 1 som er koblet i serie med koblingsinnretningen kan i de forskjellige utførelsesformer i hvert tilfelle totalt eller delvis realiseres som integrert krets. Strømbegrenseren kan også uten koblingsinnretning finne en rekke anvendelser.

I

På fig. 16 er det gjengitt et magnetsystem 36 med primærvikling 12 og sekundærvikling 13 og med et hjelpeåk 37 og et anker 27. Et slikt magnetsystem er fordelaktig for den konstruktive kombinasjon av en strømbegrenser med en koblingsinnretning, slik det allerede er blitt omtalt.

Claims (20)

1. Strømbegrenser til begrensning av overstrømmer ved hjelp av et halvlederelement (1) med minst en styrbar halvleder (3) med elektronkilde (kilde), elektrondren og styringselektrode (grind) som styrer elektronstrømmen, hvilken strømbegrenser har karakteristikkene til en felteffekttransistor (FET; 3), hvor laststrømmen går gjennom halvlederelementet (1) og at det eventuelt ved vekselspenning er koblet to felteffekttransistorer antiserielt, karakterisert ved at det er anordnet organer til intern utvinding av styrespenningen som er nødvendig for påstyring av halvlederelementet (1) fra minst en del av spenningsfallet over halvlederelementet (1) og/eller minst en del av den laststrøm som går gjennom halvlederelementet (1).

2. Strømbegrenser i henhold til krav 1, karakterisert ved at organet til påstyring av spenningsfallet i hvert tilfelle er styrekrets koblet til drenen (7) og grinden (6) på halvlederen (3).

3. Strømbegrenser i henhold til krav 1, karakterisert ved at organet til påstyring fra laststrømmen i hvert tilfelle er en strøm-spenningsomformer (11) som ligger i laststrømmen.

4. Strømbegrenser i henhold til krav 2, karakterisert ved at styrekretsen ved likespenning består av en motstand (5) som er tilkoblet mellom dren-tilkoblingen (7) og grind-tilkoblingen (6), og at eventuelt ved vekselspenning er dren-tilkoblingene (7) til de to antiserielt koblede FET forbundet henholdsvis over en ventil (4) og over en motstand (5) med grind-tilkoblingene (6).

5. Strømbegrenser i henhold til krav 2, karakterisert ved at styrekretsen ved likespenning består av en konstantstrømkilde som er koblet mellom dren-tilkoblingen (7) og grind-tilkoblingen (6), og at eventuelt ved vekselspenning er Dren-tilkoblingene (7) til de to antiserielt koblede FET i hvert tilfelle forbundet over en ventil (4) over en konstantstrømkilde med Grind-tilkoblingene (6).

6. Strømbegrenser i henhold til krav 3, karakterisert ved at det som strøm-spenningsomformer benyttes I en transformator på hvis sekundærvikling (13) det i begge polaritetsretninger er tilkoblet et spenningsbegrensende element (14), særlig to antiserielt koblede zenerdioder!, hvis utganger over en likeretterkobling (16) er i forbundet med grind-tilkoblingene (6).

7. Strømbegrenser i henhold til krav 6, karakterisert ved at det på transformatoren på dens sekundærvikling (13) er tilkoblet en likeretterkobling (16), hvis likespenningspotensialpunkter på den ene side er tilkoblet grind-tilkoblingene (6) påjFET (3) og på den annen side over et midtuttak (18) på primærviklingen (12), og at en kondensator (19) er innkoblet mellom i likespenningspotensialpunktene (17) for styrespenningen.

8. Strømbegrenser i henhold til krav 3, karakteriser jt ved at det på transformatoren på dens sekundærvikling (13) er anordnet en brolikeretter av zenerdioder hvis likespenningsutganger er forbundet med Grind-elektrodene. ;

9. Strømbegrenser i henhold til krav 6, karakteriser It ved at likeretterkoblingen er utført som spenningsmultiplikatorkrets (24).

10. Strømbegreriser i henhold til krav 3, karakterisert ved at strøm-spenningsomformeren (11) er en vibrasjonsomformer med etterkoblet spenningsmultiplikator.

11. Strømbegreriser i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at halvlederen (3) er fremstilt av silisiumkarbid (Sic).

12. Strømbegrenser i henhold til krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at det mellom henholdsvis grind-tilkoblingen eller grind-tilkoblingene (6) og kilde-tilkoblingen (8) eller forbindelsen (10) av de to kilde-tilkoblinger er innkoblet et element (9) som virker som en strømbegrensende (zenerdiode som er dimensjonert, slik at grind-spenningen til halvlederen eller halvlederne er innstilt på en verdi ved hvilken den i ønskede begrensning av overlaststrømmen fås.

13. Strømbegrenser i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det på halvlederelementet (1) er dannet en styreinnretning til ytterligere ekstern påstyring.

14. Strømbegrenser i henhold til krav 13, karakterisert ved at styreinnretningen er utført for å generere en spenning som sperrer halvlederelementet (1) når det fås et forhåndsgitt inngangssignal.

15. Strømbegrenser i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at i serie med halvlederelementet (1) er koblet minst en mekanisk koblingskontakt (23).

16. Strømbegrenser i henhold til krav 15, karakterisert ved at koblingskontakten (23) direkte eller indirekte over et kraftlager (38) står i inngrepsforbindelse med et magnetsystem (36).

17. Strømbegrenser i henhold til krav 16, karakterisert ved at magnetsystemet (36) har en i forhold til sekundærviklingen (13) forholdsvis lavohmig primærvikling (12) og danner på den ene side transformatoren til utvinding av en styrespenning fra laststrømmen og på den annen side med sin lavohmige primærvikling (12) samtidig danner magnetiseringsviklingen for det forekommende magnetsystem, hvis anker (27) står i virkningsforbindelse med koblingskontakten (23).

18. Strømbegrenser i henhold til krav 17, karakterisert ved at ved magnetsystemet (36) er dets arbeidsluftgap overdekket av et hjelpeåk (37) som er dimensjonert slik at det går i magnetisk metning allerede ved strømmer som er mindre enn den ønskede magnetiseringsstrøm for magnetankeret (27).

19. Strømbegrenser i henhold til et av kravene 15-18, karakterisert ved at halvlederelementet (1) benyttes i en automatisk effektbryter, slik som ledningsvernbryter eller motorvernbryter og lignende som strømbegrensende komponent med funksjonen til en begrenser.

20. Strømbegrenser i henhold til krav 15, karakterisert ved at halvlederelementet (1) og den mekaniske i koblingskontakt (23) i hvert tilfelle utgjør en del av romlig adskilte koblingsinnretningler.