PL172517B1

PL172517B1 - Ogranicznik pradu PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL172517B1
Application number: PL93313737A
Authority: PL
Inventors: Helmut Roesch; Hermann Zierhut
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1993-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 1997-10-31
Also published as: FI961079A0; FI961079A; EP0717886A1; SG43145A1; NO960937D0; CA2171186A1; AU4943093A; ATE152866T1; EP0717886B1; RU2139620C1; DK0717886T3; HUT75489A; GR3024186T3; NO960937L; NO310847B1; HU9600576D0; US5999387A; PL313737A1; ES2102672T3; AU688738B2

Abstract

1. Ogranicznik pradu do ograniczania przetezen za posrednictwem ukladu pólprzewodnikowego z co naj- mniej jednym sterowanym elementem pólprzewod- nikowym ze zródlem, drenem i bramka, korzystnie tranzystorem polowym, przy czym uklad pólprze- wodnikowy jest wlaczony w obwód pradowy obciaze- nia i przy napieciu przemiennym dwa tranzystory polo we sa polaczone przeciwsobnie, znamienny tym, ze zawiera uklad wewnetrznego zasilania napieciem sterujacym ukladu pólprzewodnikowego (1) z przy- najmniej czesci spadku napiecia w ukladzie pólprze- wodnikowym pomiedzy drenem i bramka, a przy napieciu stalym miedzy drenem (7) i bramka (6) ele- mentu pólprzewodnikowego, korzystnie tranzystora polowego (3), jest wlaczony rezystor (5) i przy pradzie przemiennym dreny (7) obu polaczonych przeciwsob- nie elementów pólprzewodnikowych, korzystnie tran- zystorów polowych (3), sa polaczone z bramkami (6) przez prostownik (4) i przez rezystor (5), i/lub przy- najmniej z czesci pradu obciazenia plynacego przez uklad pólprzewodnikowy, przy czym w obwodzie pra- du obciazenia ukladu pólprzewodnikowego (1) jest wlaczony przetwornik pradowo-napieciowy lub zródlo pradu stalego. F I G 1 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest ogranicznik prądu do ograniczania przetężeń za pomocą układu półprzewodnikowego z co najmniej jednym sterowanym elementem półprzewodnikowym, który ma charakterystyki tego rodzaju jak tranzystor połowy.

W znanych przyrządach półprzewodnikowych zabezpieczających, takich jak wyłączniki mocy zabezpieczające silniki lub linie, ogólnie w wyłącznikach samoczynnych, występujące prądy przeciążeniowe, zwłaszcza prądy zwarcia, szybko wykrywa się i ogranicza do możliwie małej wartości aż do wyłączenia. W mechanicznych wyłącznikach samoczynnych uzyskuje ssię szybkie wyłączanie w wyniku optymalnego obwodu magnetycznego, a także zwory magnetycznej, często zwory zanurzeniowej, która otwiera szybko i pewnie układ styków. W praktyce nie osiąga się czasów otwarcia styków krótszych niż około 1 ms. Prąd zwarcia wzrasta przy tym swobodnie aż do otwarcia styku. Najpierw po otwarciu styku powstaje łuk elektryczny, który jest szybko wprowadzany do komory łuku elektrycznego i gaszony. Dzięki wysokim napięciom łuku elektrycznego, prąd zwarcia jest ograniczany i ostatecznie odłączany. W znanych wyłącznikach samoczynnych osiąga się na przykład przy prądzie zwarcia równym 6 kA, prąd w zestyku 4000 A i czas narastania do wartości szczytowej 4 ms.

Znane jest zastosowanie elementów półprzewodnikowych do ograniczania prądu w wyłączających przyrządach zabezpieczających, co jest utrudnione przez to, że elementy półprzewodnikowe wykazują niedostateczne działanie ograniczające prąd i zbyt mały dopuszczalny pobór energii, mają w normalnych warunkach pracy rezystancję przewodzenia ponad 10 mO przy 16 A oraz zbyt małą wytrzymałość napięciową.

Znany jest z europejskiego opisu patentowego nr 0 142 128 układ do odprowadzania nadnapięć w urządzeniach wyłączających, zawierających główny rozdzielacz i moduł odbiorczy z elektronicznym układem sprzęgającym. Zastosowano dwubiegunowy elektroniczny ogranicznik prądu włączony w każdym przypadku w gałęziach szeregowych przed elektronicznym układem sprzęgającym moduł odbiorczy. W układzie tym jako ograniczniki prądu działają dwa połączone przeciwsobnie tranzystory polowe mocy typu MOS. Do wytwarzania dodatniego napięcia polaryzacji na bramce tranzystorów polowych zastosowano sprzęgacze optoelektroniczne. Układ pracuje przy jednym zewnętrznym napięciu sterującym.

Znany jest z niemieckiego opisu patentowego nr 36 34 070 układ do przenoszenia napięcia elektrycznego, zawierający dwa tranzystory polowe typu MOS, z których każdy ma bramkę, dren i źródło. Obwód prądowy obu tranzystorów jest tworzony przez połączenie ich źródeł przeciwsobnie, przy czym bramki tranzystorów są również połączone ze sobą. Przełączane napięcie jest doprowadzane między potencjał odniesienia i dren jednego z tranzystorów oraz jest przenoszone do drenu drugiego tranzystora. Do połączonych ze sobą bramek obu tranzystorów jest doprowadzany potencjał odniesienia, zależny od wartości napięcia sterującego. Pomiędzy dren i bramkę każdego tranzystora są włączone dioda i rezystor połączone szeregowo tak, że kierunek przewodzenia diody przebiega od drenu do bramki. Pomiędzy bramki i potencjał odniesienia jest włączony tranzystor sterujący, na przykład tranzystor połowy typu MOS, do którego elektrody sterującej jest doprowadzone napięcie sterujące, które jest zmiennym, zewnętrznym napięciem sterującym.

172 517

Znany jest z opisu patentowego nr WO 93/11608 wyłącznik mocy samoczynny, zwłaszcza do zabezpieczenia linii, z dwoma połączonymi przeciwsobnie tranzystorami polowymi i mecha.·_________x_ ____X__-__·_______ _1_X_______- _________ 1 . i . ' 1 I TT 7 7 ·1 incznym stykiem wyłączającym dołączonym szeregowo do Lroizysiorow polowych. Wyłącznik mocy wykorzystuje układ półprzewodnikowy mający rezystancję wewnętrzną małą przy określonym napięciu sterującym, dostarczanym do elektrody sterującej tranzystora polowego. Napięcie robocze jest doprowadzane do elektrod roboczych włączonych w tor przepływu prądu. Rezystancja wewnętrzna wzrasta nagle, gdy napięcie na elektrodach roboczych zwiększa się. Równolegle do układu półprzewodnikowego jest włączony element przełączający, działający jako przekaźnik, który współpracuje z co najmniej jednym wyłącznikiem stykowym. Ogólnie ten wyłącznik mocy działa jako ogranicznik prądu do ograniczania przetężeń za pomocą układu półprzewodnikowego z co najmniej jednym sterowanym elementem półprzewodnikowym ze źródłem, drenem i bramką, który ma charakterystyki tranzystora polowego, przy czym prąd obciążenia płynie przez układ półprzewodnikowy. Stosuje się przy tym zewnętrzne napięcie sterujące.

Znane jest również z europejskiego zgłoszenia patentowego nr 92 116 358.0 włączanie transformatora pomiędzy dwoma połączonymi przeciwsobnie tranzystorami polowymi jako indukcyjności ograniczającej prąd zwarcia. Transformator służy równocześnie do doprowadzania zewnętrznego napięcia sterującego.

Ogranicznik prądu według wynalazku zawiera układ wewnętrznego zasilania napięciem sterującym układu półprzewodnikowego z przynajmniej części spadku napięcia w układzie półprzewodnikowym pomiędzy drenem i bramką, a przy napięciu stałym między drenem i bramką elementu półprzewodnikowego, korzystnie tranzystora polowego, jest włączony rezystor i przy prądzie przemiennym dreny obu połączonych przeciwsobnie elementów półprzewodnikowych, korzystnie tranzystorów poiowych, są połączone z bramkami przez prostownik i przez rezystor, i/lub przynajmniej z części prądu obciążenia płynącego przez układ półprzewodnikowy, przy czym w obwodzie prądu obciążenia układu półprzewodnikowego jest włączony przetwornik prądowo-napięciowy lub źródło prądu stałego.

Korzystnie przetwornik prądowo-napięciowy stanowi transformator, do którego uzwojenia wtórnego jest dołączony element ograniczający napięcie w obu kierunkach polaryzacji, korzystnie utworzony prze dwie połączone przeciwsobnie diody Zenera, którego wyjścia są połączone z bramkami przez układ prostownika.

Do uzwojenia wtórnego transformatorajest dołączony układ prostownika, którego punkty potencjałów napięcia stałego są dołączone z jednej strony do bramek tranzystorów polowych i z drugiej strony do odczepu środkowego uzwojenia pierwotnego, a pomiędzy punkty potencjałów napięcia stałego jest włączony kondensator dla napięcia sterującego.

Korzystnie przetwornik prądowo-napięciowy stanowi transformator, do którego uzwojenia wtórnego jest dołączony prostownik mostkowy zbudowany z diod Zenera, którego wyjścia napięcia stałego są połączone z bramkami.

Korzystnie układ prostownika stanowi układ powielacza napięcia.

Korzystnie przetwornik prądowo-napięciowy stanowi falownik wibracyjny z dołączonym powielaczem napięcia.

Korzystnie element półprzewodnikowy jest na bazie węglika krzemu.

Korzystnie pomiędzy bramką lub bramkami i źródłem względnie węzłem obu źródeł jest włączona dioda Zenera ograniczająca prąd.

Korzystnie układ półprzewodnikowy jest wyposażony w dodatkowy układ sterowania zewnętrznego.

Układ sterowania zewnętrznego stanowi układ zasilania napięciem blokującym układu półprzewodnikowego.

Korzystnie do układu półprzewodnikowego jest dołączony szeregowo przynajmniej mechaniczny styk wyłączający.

Styk wyłączający jest połączony bezpośrednio lub pośrednio, przez zasobnik energii z układem magnetycznym.

Układ magnetyczny ma uzwojenie pierwotne niskoomowe względem uzwojenia wtórnego i z jednej strony tworzy transformator napięcia sterującego z prądu obciążenia, a z drugiej strony

172 517 tworzy, wraz z niskoomowym uzwojeniem pierwotnym, uzwojenie wzbudzające dla układu magnetycznego, którego zwora jest połączona czynnie ze stykiem wyłączającym.

Szczelina powietrzna robocza układu magnetycznego jest zmoslkowana zworą pomocniczą.

Układ półprzewodnikowy w wyłączniku samoczynnym, korzystnie wyłączniku mocy, wyłączniku zabezpieczającym linę lub wyłączniku zabezpieczającym silnik, stanowi element ograniczający prąd.

Układ półprzewodnikowy i mechaniczny styk wyłączający stanowią część oddzielnych przestrzennie urządzeń.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie ogranicznika prądu, który ogranicza przetężenia w sposób szybki i pewny, przy zastosowaniu wygodnego zasilania napięciem sterującym uzyskanym zewnętrznie.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy ogranicznik prądu z napięciem sterującym, uzyskiwanym ze spadku napięcia na elemencie półprzewodnikowym, fig. 2 - ogranicznik prądu z napięciem sterującym, uzyskiwanym z prądu obciążenia, fig. 3 - drugi ogranicznik prądu z napięciem sterującym, uzyskiwanym ze spadku napięcia na elemencie półprzewodnikowym, fig. 4 - ogranicznik prądu z napięciem sterującym, uzyskiwanym z prądu obciążenia i ze spadku napięcia na elemencie półprzewodnikowym, fig. 5 - podwójnie rozbudowany ogranicznik prądu z napięciem sterującym, uzyskiwanym z prądu obciążenia i z włączonym szeregowo stykiem wyłączającym, fig. 6 - ogranicznik prądu ze stykiem wyłączającym i z napięciem sterującym, uzyskiwanym przy pomocy kondensatora włączonego po stronie wtórnej, fig. 7 - ogranicznik prądu z fig. 6 z powielaczem napięcia, fig. 8 - ogranicznik prądu ze sterowaniem prądem obciążenia, z przetwornikiem prądowo-napięciowym, fig. 9 - układ obróbki wstępnej napięcia sterującego z prądu obciążenia w oparciu o fig. 5, fig. 10 - dalszy układ obróbki wstępnej napięcia sterującego w oparciu o fig. 5, fig. 11 - dodatkowy zewnętrzny układ sterowania dołączony do układu z fig. 10, fig. 12 - inny element zadający dla dodatkowego zewnętrznego układu sterowania z fig. 11, fig. 13 - rozbudowany ogranicznik prądu z transformatorem jako przetwornikiem prądowo-napięciowym, fig. 14 - na górze symbol samoblokującego tranzystora polowego z kanałem typu n, a na dole ten symbol skrócony, stosowany w opisie, fig. 15 - charakterystyki prądowo-napięciowe określające funkcjonalnie ogranicznik prądu i fig. 16 - układ magnetyczny ze szczeliną powietrzną zmostkowaną przez jarzmo pomocnicze.

Figura 1 przedstawia ogranicznik prądu z układem półprzewodnikowym 1 zawierającym tranzystory polowe 3. Tranzystory polowe 3, oznaczone symbolami przedstawionymi na fig. 14, są wzbogacone, sarnoblokujące i mają kanał typu n. Na fig. 1 jest przedstawiony ogranicznik prądu napięcia przemiennego, który pracuje przy dwóch przełączanych polaryzacjach z dwoma połączonymi przeciwsobnie tranzystorami polowymi 3. Wymagane napięcie sterujące tranzystorami polowymi 3 jest uzyskiwane ze spadku napięcia tak, że do każdego tranzystora polowego 3, do jego drenu 7, jest dołączony układ prostownika 4 zawierający diodę połączoną szeregowo z rezystorem 5, którego druga końcówka jest dołączona do bramki 6 tranzystora polowego 3. Przy napięciu przemiennym i dwóch połączonych przeciwsobnie tranzystorach polowych 3 jest tworzone połączenie drenów 7 przez prostownik 4 i rezystor 5 z bramkami 6 tranzystorów polowych 3. Bramki 6 są połączone ze sobą.

Przy przełączaniu potencjału wystarcza zgodnie z fig. 1 połączyć górny lub dolny tranzystor połowy 3 z odpowiednim prostownikiem 4 i rezystorem 5. Źródło 8 może być doprowadzone do potencjału masy.

Pomiędzy węzłem łączącym bramki 6 i węzłem 10 łączącym źródła 8 połączonych przeciwsobnie tranzystorów polowych 3 jest włączona dioda Zenera 9 stanowiąca element ograniczający prąd. Przez węzeł 10 przepływa prąd obciążenia.

Napięcie bramek 6 tranzystorów polowych 3 jest dostarczane także przez prostownik 4 i rezystor 5. Dioda Zenera 9 ogranicza napięcie bramek 6 i przez to maksymalny prąd zwarcia.

Figura 2 przedstawia, jak jest uzyskiwane napięcie sterujące U_s = f(I) w funkcji prądu obciążenia I.

Figura 3 przedstawia, jak jest uzyskiwane napięcie sterujące Us = f(U) w funkcji spadku napięcia U na elemencie półprzewodnikowym.

rigura 4 przedstawia, jak jest uzyskiwane napięcie sterujące U_s = f(i) i U = f(u) w iunkcji prądu obciążenia I i w funkcji spadku napięcia V na elemencie półprzewodnikowym.

Figura 5 przedstawia ogranicznik prądu, do którego jest dołączony szeregowo wyłącznik 2 z mech<uucznym stt^ł^ii^t^i wyliczającym 23. Ogranicznik prądu pracuje z dwoma połączonymi przeciwsobnie tranzystorami polowymi 3, które są połączone ze sobą źródłami 8 przez uzwojenie pierwotne 12 przetwornika prądowo-napięciowego 11. Do uzwojenia wtórnego 13 przetwornika prądowo-napięciowego 11 jest dołączony element ograniczający 14 napięcie w obu kierunkach polaryzacji, utworzony przez dwie diody Zenera 15 połączone przeciwsobnie. Diody Zenera 15 ograniczają napięcie po stronie wtórnej, w następstwie czego po stronie pierwotnej, dzięki przekładni przetwornika prądowo-napięciowego 11, występuje spadek napięcia równy tylko kilkadziesiąt mV. Prąd obciążenia płynący także przez tranzystor połowy 3 po stronie pierwotnej jest również ograniczony przez przetwornik prądowo-napięciowy 11. Z drugiej strony przekładnia przetwornika prądowo-napięciowego 11 umożliwia wprowadzenie stosunkowo wysokiego napięcia bramka-źródło po stronie pierwotnej, przez co jest zmniejszana rezystancja włączenia. To oddziaływanie jest objaśnione szczegółowo w oparciu o fig. 15.

Na fig. 5 za przetwornikiem prądowo-napięciowym 11 po stronie wtórnej jest dołączony układ prostownika 16, który jest połączony z bramkami 6 tranzystorów polowych 3 oraz z odczepem środkowym 18 uzwojenia pierwotnego 12. Kondensator 19 spełnia podwójną funkcję: po pierwsze rozdziela punkty 17 potencjałów napięcia stałego dla napięcia sterującego, a po drugie ustala warunki pracy połączonych przeciwsobnie tranzystorów polowych 3. Tej drugiej funkcji służy także kondensator 19 ogranicznika prądu z fig. 6, w którym punkty 17 potencjałów napięcia stałego układu prostownika 16 są dostępne także bez kondensatora 19.

W ograniczniku prądu z fig. 5 przetwornik prądowo-napięciowy 11 nie jest zamknięty rezystorem, lecz diodami Zenera 15 elementu ograniczającego 14 napięcie. Od punktów 17 potencjałów napięcia stałego jest doprowadzane do strony pierwotnej przetwornika napięcie pomocnicze bramek, które uzupełnia napięcie pomocnicze wytwarzane po stronie pierwotnej lub je zastępuje. Po stronie wtórnej przetwornika prądowo-napięciowego 11 jest osiągane napięcie na przykład około 10 V przy napięciu Zenera około 9,1 V i napięciu przewodzenia około 0,9 V na diodach Zenera 15. Jeśli także w uzwojeniu pierwotnym 12 płynie prąd wystarczająco duży, aby pokonać rezystancję indukcyjną, po stronie pierwotnej indukuje się, wskutek napięcia 10 V po stronie wtórnej, napięcie odpowiadające przekładni przetwornika prądowo-napięciowego 11. Na przykład przy przekładni od 1 do '1000 występuje na uzwojeniu pierwotnym 12 napięcie tylko około 10 mV.

Układ z fig. 5 działa jak następuje: Jeżeli na zaciskach 20 i 21 wyłącznika 2 występuje napięcie, na przykład wskutek włączonego odbiornika, prze prostownik 4 zawierający diody płynie prąd zależny od polaryzacji napięcia przemiennego. Wskutek spadku napięcia na rezystorze 5, na bramkach 6 występuje dodatni potencjał zmniejszony względem dodatniego napięcia zacisku 20 tak, że do tranzystorów polowych 3 jest doprowadzane napięcie bramka-źródło włączające i połączenie dren-źródło jest wprowadzane w stan przewodzenia. Prąd płynący przez uzwojenie pierwotne 12 przetwornika prądowo-napięciowego 11 wytwarza napięcie na wysokoomowym uzwojeniu wtórnym, które jest ograniczane przy osiągnięciu napięcia Zenera górnej lub dolnej diody Zenera 15 w obu kierunkach przepływu prądu. Na uzwojeniu wtórnym 13 powstaje prawie prostokątne napięcie przemienne, które wytwarza, poprzez diody 22 układu prostownika 16, na kondensatorze 19 napięcie stałe o wartości napięcia Zenera. To napięcie stałe jest doprowadzane do złącz bramka-źródło obu tranzystorów polowych 3, dzięki czemu znajdują się one w stanie przewodzenia, bez dalszej potrzeby występowania spadku napięcia na rezystorze

5. Przez rezystor 5 nie płtynie wówczas żaden prąd.

Na fig. 6 element ograniczający 14 napięcie stanowi układ mostkowy zbudowany z czterech diod Zenera 15. W tym układzie nie występuje element ograniczający 9 prąd po stronie pierwotnej przetwornika prądowo-napięciowego 11. Styk wyłączający 23 jest włączony szeregowo.

172 517

Figura 7 przedstawia ogranicznik prądu, w którym amplitudy napięcia przemiennego w uzwojeniu wtórnym 13 przetwornika prądowo-napięciowego 11 są utrzymywane jako mniejsze, gdy do elementu ograniczającego 14 napięcie jest dołączony układ powielacza 24 napięcia.

Figura 8 przedstawia ogranicznik prądu ze sterowaniem prądem obciążenia, z przetwornikiem prądowo-napięciowym w postaci falownika wibracyjnego 39 z dołączonym układem powielacza 24 napięcia. Do przetwornika wibracyjnego 39jest dostarczane napięcie występujące na rezystorze 55 przy przepływie prądu obciążenia. Aby ograniczyć spadek napięcia i zminimalizować straty mocy, korzystne jest zastosowanie elementu ograniczającego 40 napięcie, utworzonego przez dwie diody włączone antyrównolegle, które ograniczają spadek napięcia na rezystorze 5.

Figura 9 przedstawia schematycznie układ od wytwarzania napięcia sterującego pomiędzy bramkami 6 i źródłami 8 tranzystorów polowych 3. Wytwarzanie napięcia sterującego może być podzielone na wytwarzanie napięcia sterującego w przypadku rozruchu i wytwarzanie napięcia pomocniczego, co zostało wyjaśnione w oparciu o fig. 5.

Figura 10 Drzedstawia ogranicznik orądu z układem zasilania 25 naoięciem sterującym i

A W A · A * U *· J układem zasilania 26 napięciem pomocniczym. Układ zasilania 25 napięciem sterującym jest wykonany jako układ rozruchowy, a napięcie sterujące w stanie pracy jest pobierane z układu zasilania 26 napięciem pomocniczym.

Figura 11 przedstawia układ umożliwiający sterowanie dodatkowo zewnętrznie elementem półprzewodnikowym dzięki zastosowaniu zewnętrznego układu sterowania 41. Po zamknięciu styków włączających 42, połączenie bramka-źródło jest zwierane i tranzystor połowy 3 przechodzi w stan odcięcia.

Figura 12 przedstawia styki półprzewodnikowe 43, z którymi może współpracować zewnętrzny układ sterowania 41.

Figura 13 przedstawia rozbudowany ogranicznik prądu z fig. 10, w którym napięcie pomocnicze jest wytwarzane przez układ powielacza napięcia. Niskoomowe uzwojenie pierwotne przetwornika prądowo-napięciowego 11 jest połączone ze zworą 27, która jest sprzężona ze stykiem wyłączającym 23, To rozwiązanie jest szczególnie ekonomiczne, ponieważ przetwornik prądowo-napięciowy 11 i układ magnetyczny 36, który otwiera styk wyłączający 23 przez zworę 27, są złożone funkcjonalnie i montażowo. Dodatkowo może być zastosowany zasobnik energii 38 w postaci blokady wyłącznika. Na niskoomowym uzwojeniu pierwotnym 12 uruchamiającym zworę może być nawinięte uzwojenie wysokoomowe o dużej ilości zwojów jako uzwojenie wtórne 143. Można też zastosować małą zworę pomocniczą 37 pokazaną na fig. 16, która zamyka obwód magnetyczny przetwornika prądowo-napięciowego 11. Zwora pomocnicza 37 wchodzi w stan nasycenia już przy małych prądach tak, że nie ma wpływu na działanie zwory 27 oddziałującej na styk wyłączający 23. Niskoomowe uzwojenie pierwotne 12 może składać się z kilku zwojów, na przykład dwóch do czterech, a korzystny zakres napięć potrzebnych do wytworzenia napięcia pomocniczego może być przeniesiony na stronę wtórną przez układ powielacza napięcia, aż do wymaganej wartości napięcia. Układ powielacza napięcia składa się z kondensatorów 28 i 19, które to kondensatory 19 przygotowują równocześnie napięcie sterowania tranzystorami polowymi, a także z diod 29, które w podanym przykładzie zapewniają równocześnie prostowanie.

Układ zasilania 25 napięciem sterującym z fig. 13 pokazuje możliwość wytworzenia charakterystyki typu Fall-Black. Głównymi elementami stosowanymi do tego celu są tranzystor 30 i rezystory 31,32 i 33. Ta część układu pracuje następująco: Jeśli z powodu zwiększonego prądu, jaki występuje na przykład przy zwarciu, rozpoczyna się oddziaływania tranzystorów polowych 3 ograniczające prąd, wzrasta napięcie na zaciskach 20 i 21. To napięcie pojawia się na prostowniku mostkowym, który jest utworzony przez diody prostowników 4 i diody złączowe określane także jako diody inwersyjne, i tranzystory polowe 3. Jako diody złączowe 31 rozumie się każdą warstwę przejściową, w szczególności właściwą dla tranzystora polowego typu MOS wewnętrzną diodę złącza p-n źródło-dren. Napięcie przykładane do prostownika mostkowego występuje również na szeregowym połączeniu rezystorów 131 i 133, w wyniku czego na rezystorze 133 występuje spadek napięcia, który wysterowuje tranzystor 30 w stan przewodzenia. Dzięki wartości rezystora 132 może być włączane napięcie bramka-źródło, które przy

172 517 wzrastającym napięciu na zaciskach 20 i 21 będzie zawsze mniejsze i dlatego powoduje zmniejszenie prądu obciążenia płynącego przez tranzystory polowe 3. Podobną charakterystykę można uzyskać także przy pomocy wzmacniacza operacyjnego.

Figura 14 przedstawia na górze pełny symbol tranzystora polowego, a na dole skrócony symbol stosowany w tym opisie, podobnie jak zwykłe skróty dla drenu, bramki i źródła oraz dodatni kierunek prądu dren-źródło. Fig. 14 przedstawia tranzystor połowy typu wzbogaconego, samoblokujący, który ma kanał n. W szczególności tranzystory przedstawione na fig. 14 są rozumiane jako tranzystory polowe typu MOS. Układy przedstawione na fig.1 do 13 mogą być realizowane również przez inne elementy, zwłaszcza inne tranzystory polowe. Przy zastosowaniu tranzystorów polowych z kanałem typu p należy tylko dokonać zwykłej zmiany polaryzacji. Charakterystyki mogą być realizowane tak, jak to przedstawiono na fig. 15, dla napięcia stałego jest ustalany prąd maksymalny niezależnie od napięcia i dla napięcia przemiennego tego rodzaju warunki występują w dwóch przeciwległych ćwiartkach wykresu.

Działanie ogranicznika prądu zostanie objaśnione w oparciu o fig. 15, która przedstawia wykres, na którego osi rzędnych jest naniesiony prąd dren-źródło U, a na osi odciętych napięcie dren-źródło Uds. Tranzystor połowy opisanego typu, jak na fig. 14, ma charakterystykę 32, która przy ujemnym napięciu dren-źródło Vos przechodzi w charakterystykę 33 diody złączowej. Charakterystyki poziome występują przy napięciu bramka-źródło jako parametrze i ograniczają prąd dren-źródło przy odpowiednim połączeniu. Przy wysokich napięciach bramka-źródło jest osiągana stroma charakterystyka rezystancji przewodzenia Ron. Przy połączeniu przeciwsobnym tranzystorów polowych w przypadku napięcia przemiennego jest uzyskiwany symetryczny sposób pracy pierwszej ćwiartki względem trzeciej ćwiartki, przy czym charakterystyka 33 diody złączowej nie odgrywajuż roli. W układzie z przetwornikiem prądowo-napięciowym osiąga się przekroczenie charakterystyki 35, która przechodzi w prostą rezystancji przewodzenia.

Przekroczenia charakterystyki unika się dla każdego kierunku polaryzacji napięcia przemiennego przy połączeniu przeciwsobnym tranzystorów polowych, jeżeli kondensator 19 jest włączony w opisany sposób. Działanie ograniczające prąd połączonych przeciwsobnie tranzystorów polowych ujawnia się zatem pomiędzy wybraną charakterystyką poziomą o odpowiednim napięciu bramka-źródło jako parametrze w pierwszej i trzeciej ćwiartce, w połączeniu z przebiegiem charakterystyki 34 rezystancji przewodzenia. Przy tym powierzchnia pomiędzy charakterystyką 32 i wybraną charakterystyką leżącą na lewo w pierwszej ćwiartce okazuje się utraconą oszczędnością, co wywnioskuje się z iloczynu prądu dren-źródło i napięcia dren-źródło. Powyższe możliwości są rozszerzane w znaczny sposób przez zastosowanie tranzystorów polowych z węglika krzemu. Układ półprzewodnikowy 1 z fig. 1, któryjest połączony szeregowo z wyłącznikiem, może być realizowany w różny sposób, całkowicie lub częściowo jako układ scalony. Ogranicznik prądu znajduje różne zastosowania także bez dołączania wyłącznika.

Figura 16 przedstawia układ magnetyczny 36 z uzwojeniem pierwotnym 12 i uzwojeniem wtórnym 13, który ma zworę 27 i zworę pomocniczą 37 ułatwiającą działanie ogranicznika prądu z wyłącznikiem.

172 517

FIG 8

172 517

FIG 7

172 517

f—?

20

FIG 11

FIG 12

172 517

(5-1

FIG U

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Ogranicznik prądu do ograniczania przetężeń za pośrednictwem układu półprzewodnikowego z co najmniej jednym sterowanym elementem półprzewodnikowym ze źródłem, drenem i bramką, korzystnie tranzystorem polowym, przy czym układ półprzewodnikowy jest włączony w obwód prądowy obciążenia i przy napięciu przemiennym dwa tranzystory polowe są połączone przeciwsobnie, znamienny tym, że zawiera układ wewnętrznego zasilania napięciem sterującym układu półprzewodnikowego (1) z przynajmniej części spadku napięcia w układzie półprzewodnikowym pomiędzy drenem i bramką, a przy napięciu stałym między drenem (7) i bramką (6) elementu półprzewodnikowego, korzystnie tranzystora polowego (3), jest włączony rezystor (5) i przy prądzie przemiennym dreny (7) obu połączonych przeciwsobnie elementów półprzewodnikowych, korzystnie tranzystorów polowych (3), są połączone z bramkami (6) przez prostownik (4) i przez rezystor (5), i/lub przynajmniej z części prądu obciążenia płynącego przez układ półprzewodnikowy, przy czym w obwodzie prądu obciążenia układu półprzewodnikowego (1) jest włączony przetwornik prądowo-napięciowy lub źródło prądu stałego.
2. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik prądowo-napięciowy stanowi transformator, do którego uzwojenia wtórnego (13) jest dołączony element ograniczający (14) napięcie w obu kierunkach polaryzacji, korzystnie utworzony przez dwie połączone przeciwsobnie diody Zenera (15), którego wyjścia są połączone z bramkami (6) przez układ prostownika (16).
3. Ogranicznik według zastrz. 2, znamienny tym, że do uzwojenia wtórnego (13) transformatorajest dołączony układ prostownika (16), którego punkty (17) potencjałów napięcia stałego są dołączone z jednej strony do bramek (6) tranzystorów polowych (3) i z drugiej strony do odczepu środkowego (18) uzwojenia pierwotnego (12), a pomiędzy punkty (17) potencjałów napięcia stałego jest włączony kondensator (19) dla napięcia sterującego.
4. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik prądowo-napięciowy stanowi transformator, do którego uzwojenia wtórnego (13) jest dołączony prostownik mostkowy zbudowany z diod Zenera, którego wyjścia napięcia stałego są połączone z bramkami.
5. Ogranicznik według zastrz. 2, znamienny tym, że układ prostownika stanowi układ powielacza (24) napięcia.
6. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik prądowo-napięciowy stanowi falownik wibracyjny z dołączonym powielaczem napięcia.
7. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że element półprzewodnikowy (3) jest na bazie węglika krzemu.
8. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy bramką lub bramkami (6) i źródłem (8) względnie węzłem (10) obu źródełjest włączona dioda Zenera (9) ograniczająca prąd.
9. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że układ półprzewodnikowy (1) jest wyposażony w dodatkowy układ sterowania zewnętrznego.
10. Ogranicznik według zastrz. 9, znamienny tym, że układ sterowania zewnętrznego stanowi układ zasilania napięciem blokującym układu półprzewodnikowego (1).
11. Ogranicznik według zastrz. 1, znamienny tym, że do układu półprzewodnikowego (1) jest dołączony szeregowo przynajmniej mechaniczny styk wyłączający (23).
12. Ogranicznik według zastrz. 11, znamienny tym, że styk wyłączający (23) jest połączony bezpośrednio lub pośrednio, przez zasobnik energii (38) z układem magnetycznym (6).
13. Ogranicznik według zastrz. 12, znamienny tym, że układ magnetyczny (36) ma uzwojenie pierwotne (12) niskoomowe względem uzwojenia wtórnego (13) i z jednej strony tworzy transformator napięcia sterującego z prądu obciążenia, a z drugiej strony tworzy, wraz z

172 517 niskoomowym uzwojeniem pierwotnym (12), uzwojenie wzbudzające dla układu magnetycznego (36), którego zwora (27) jest połączona czynnie ze stykiem wyłączającym.
14. Ogranicznik według zastrz. 13, zuamiienmy tymi, że szczelina powietrzna robocza układu magnetycznego (36) jest zmostkowana zworą pomocniczą (37).
15. Ogranicznik według zastrz. 11 albo 12, albo 13, albo 14, znamienny tym, że układ półprzewodnikowy (1) w wyłączniku samoczynnym, korzystnie wyłączniku mocy, wyłączniku zabezpieczającym linę lub wyłączniku zabezpieczającym silnik, stanowi element ograniczający prąd.
16. Ogranicznik według zastrz. 11, znamienny tym, że układ półprzewodnikowy (1) i mechaniczny styk wyłączający (23) stanowią część oddzielnych przestrzennie urządzeń.