DE1289171B

DE1289171B - Circuit arrangement equipped with semiconductor elements for limiting a DC or AC voltage

Info

Publication number: DE1289171B
Application number: DE1963F0041355
Authority: DE
Inventors: Roderer Herbert; Kummer; Dipl-Ing Ludwig
Original assignee: Tekade Felten and Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH
Current assignee: Tekade Felten and Guilleaume Fernmeldeanlagen GmbH
Priority date: 1963-11-25
Filing date: 1963-11-25
Publication date: 1969-02-13

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Halbleiterelementen bestückte Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Gleich- oder einer Wechselspannung in einer für elektrische Halbleiterelemente üblichen Größenordnung, die nicht nur das Auftreten von überspannungen, die für elektrische Geräte schädlich sind, verhindert, sondern auch eine große Stromimpulsbelastbarkeit aufweist.The invention relates to a circuit arrangement equipped with semiconductor elements for limiting a DC or an AC voltage in one for electrical Semiconductor elements of the usual order of magnitude, which not only prevent the occurrence of overvoltages, which are harmful to electrical devices, but also a large current pulse load capacity having.

Spannungsbegrenzer bekannter Art, wie Gasentladungsableiter und Funkenstrecken, wie sie z. B. bei hohen und mittleren Spannungen Verwendung finden, sind für solche Zwecke ungeeignet. Die ebenfalls bereits bekannten Fehlerstromschalter und überstromrelais können zwar auch für niedere Betriebsspannungen mit hoher Stromimpulsbelastbarkeit ausgelegt werden, doch ist deren Trägheit von Nachteil. Schließlich sind auch noch spannungsabhängige Widerstände und Silizium-Zenerdioden für die Spannungsbegrenzung im Niederspannungsgebiet bekanntgeworden, deren Anwendungsbereich jedoch durch ihre geringe Impulsbelastbarkeit in der Größenordnung von einigen Ampere für wenige Millisekunden begrenzt ist.Voltage limiters of a known type, such as gas discharge arresters and spark gaps, how they z. B. at high and medium voltages are used for such Unsuitable purposes. The well-known residual current switches and overcurrent relays can also be used for low operating voltages with a high current pulse load capacity are designed, but their inertia is a disadvantage. Finally there are too voltage-dependent resistors and silicon zener diodes for voltage limitation became known in the low-voltage area, but its scope through their low pulse load capacity on the order of a few amperes for a few milliseconds is limited.

Es wurde daher auch schon eine mit einem Thyristor ausgerüstete Schutzschaltung gegen überspannungen in Durchlaßrichtung veröffentlicht, deren Thyristor ein Widerstandsspannungsteiler parallel geschaltet ist, die aber den Nachteil aufweist, verhältnismäßig niederolunig zu sein, da über den Widerstandsspannungsteiler immer ein nicht vernachlässigbar großer Strom fließt. Diese Schaltungsanordnung ist daher für den überspannungsschutz von solchen Geräten oder Schaltungssystemen nicht geeignet, die betriebsmäßig nicht miteinander verbunden werden dürfen, da sie beispielsweise an verschiedene Erden angeschlossen sind.A protective circuit equipped with a thyristor was therefore also used Released against overvoltages in the forward direction, whose thyristor is a resistive voltage divider is connected in parallel, but this has the disadvantage of being relatively low-pole to be, as there is always a not negligible via the resistance voltage divider large current flows. This circuit arrangement is therefore for overvoltage protection not suitable for such devices or circuit systems that are not operationally may be connected to each other because they are connected to different earths, for example are connected.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile der vorstehend genannten Spannungsbegrenzer zu vermeiden und eine hochohmige Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Begrenzung der Betriebsspannung elektrischer Geräte, insbesondere elektronischer Geräte der elektrischen Nachrichtentechnik, verbunden mit einer hohen Impulsbelastbarkeit, in der Größenordnung bis zu einigen tausend Ampere, gewährleistet.The object of the present invention is therefore to address the disadvantages to avoid the aforementioned voltage limiter and a high-resistance circuit arrangement to create a limit on the operating voltage of electrical devices, in particular electronic devices of electrical communications engineering, associated with a high Impulse load capacity, in the order of magnitude up to a few thousand amperes, guaranteed.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine mit Halbleiterelementen bestückte Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Gleich- oder einer Wechselspannung erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei in an sich bekannter Weise antiparallelgeschaltete, steuerbare Siliziumgleichrichter, zu denen jeweils die Reihenschaltung einer in der gleichen Durchlaßrichtung beanspruchten Siliziumdiode mit einem spannungsabhängigen Widerstand oder einer Diode mit einem Schwellenwert, insbesondere .einer Zenerdiode, sowie einem Widerstand parallel geschaltet ist und durch eine derartige Bemessung dieser Schaltelemente, daß der über die Zündelektrode der steuerbaren Siliziumgleichrichter fließende Teilstrom bei unterhalb der Zenerspannung der Zenerdioden liegenden Spannungswerten kleiner als der Zündwert der steuerbaren Siliziumgleichrichter und bei über der Zenerspannung der Zenerdioden liegenden Spannungswerten größer als der Zündwert der steuerbaren Siliziumgleichrichter sowie die Sperrspannung der ungesteuerten Siliziumdioden wesentlich größer als die Zenerspannung der Zenerdioden ist. Wenn die Schaltungsanordnung aber nur zur Begrenzung einer Gleichspannung dienen soll, so kann sie dadurch vereinfacht werden, daß einer der beiden, aus einem steuerbaren Siliziumgleichrichter und der dazu parallelgeschalteten Reihenschaltung einer in der gleichen Durchlaßrichtung beanspruchten Diode mit einem spannungsabhängigen Widerstand oder einer Diode mit einem Schwellenwert, insbesondere einer Zenerdiode, sowie einem Widerstand bestehende Stromkreis durch eine Leistungsdiode ersetzt ist.According to the invention, this aim is achieved by using semiconductor elements Equipped circuit arrangement for limiting a direct or alternating voltage achieved, which is characterized in that two in a known manner antiparallel, controllable silicon rectifiers, each of which is connected in series with an in the same forward direction stressed silicon diode with a voltage-dependent Resistor or a diode with a threshold value, in particular a zener diode, as well as a resistor is connected in parallel and by such a dimensioning of these switching elements, that of the controllable silicon rectifier via the ignition electrode partial current flowing at voltage values below the Zener voltage of the Zener diodes smaller than the ignition value of the controllable silicon rectifier and above the Zener voltage of the Zener diodes lying voltage values greater than the ignition value the controllable silicon rectifier and the reverse voltage of the uncontrolled Silicon diodes is much greater than the Zener voltage of the Zener diodes. if the circuit arrangement is only intended to limit a direct voltage, so it can be simplified by having one of the two, from a controllable Silicon rectifier and the series connection of an in the same forward direction claimed diode with a voltage-dependent Resistor or a diode with a threshold value, in particular a zener diode, and a resistor existing circuit is replaced by a power diode.

In beiden Fällen bewirkt die dem Thyristor parallelgeschaltete Zenerdiode od. dgl., daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, solange sie mit Spannungen unterhalb der Zenerspannung betrieben wird, sehr hochohmig ist, wodurch praktisch kein Strom zwischen den Klemmen 5 und 5' fließen kann, so daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum überspannungsschutz einer Kombination von mehreren Geräten bzw. Schaltungssystemen herangezogen werden kann, die betriebsmäßig- nicht miteinander verbunden werden dürfen, da sie beispielsweise an verschiedene Erden angeschlossen sind.In both cases, the zener diode connected in parallel with the thyristor has the effect Od. Like. That the circuit arrangement according to the invention, as long as it is with voltages is operated below the Zener voltage, is very high resistance, which makes it practical no current can flow between the terminals 5 and 5 ', so that the invention Circuit arrangement for overvoltage protection of a combination of several devices or circuit systems can be used that are not operationally with each other may be connected because they are connected to different earths, for example are.

Erreicht in diesem Fall das Potential zwischen den verschiedenen Erden eine unzulässig hohe Spannung, dann werden die an die verschiedenen Erden angeschlossenen Systeme durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung miteinander verbunden, und die überspannung wird bei Auftreten eines kurzen Betriebsausfalles abgeleitet, ohne daß die Geräte-oder Schaltungssysteme selbst Schaden dabei erleiden.In this case, reach the potential between the different earths an impermissibly high voltage, then they are connected to the different grounds Systems connected to one another by the circuit arrangement according to the invention, and the overvoltage is discharged in the event of a brief operating failure without that the device or circuit systems themselves suffer damage.

Die Erfindung wird im nachstehenden an Hand der Zeichnung im einzelnen näher beschrieben und erläutert: F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Gleich- oder einer Wechselspannung und F i g. 2 eine vereinfachte Schaltungsanordnung zur Begrenzung einer Gleichspannung.The invention is described in detail below with reference to the drawing described and explained in more detail: F i g. 1 shows a circuit arrangement for limiting a direct or alternating voltage and F i g. 2 shows a simplified circuit arrangement for limiting a DC voltage.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, liegen zwischen den Klemmen 5, 5' zwei antiparallelgeschaltete, steuerbare Siliziumgleichrichter 1,1'; zu jedem dieser beiden steuerbaren Siliziumgleichrichter sind in Reihe je eine in der gleichen Durchlaßrichtung beanspruchte Siliziumdioden 2, 2', ein spannungsabhängiger Widerstand oder eine Diode mit einem Schwellenwert, insbesondere eine Zenerdiode 3, 3', sowie ein Widerstand 4, 4', parallel geschaltet; diese Schaltelemente sind so beiriessen, daß der über die Zündelektrode der steuerbaren Siliziumgleichrichter 1, 1' fließende Teilstrom i2 bei unterhalb der Zenerspannung der Zenerdioden 3, 3' liegenden Spannungswerten kleiner als der Zündwert der steuerbaren Siliziumgleichrichter 1,1' und bei über der Zenerspannung der Zenerdioden 3, 3' liegenden Spannungswerten größer als der Zündwert der steuerbaren Siliziumgleichrichter 1, 1' sowie die Sperrspannung der ungesteuerten Siliziumdioden 2, 2' wesentlich größer als die Zenerspannung der Zenerdioden 3, 3' ist.As shown in FIG. 1, there are two between the terminals 5, 5 ' Controllable silicon rectifiers 1, 1 'connected in anti-parallel; to each of these two controllable silicon rectifiers are one in series in the same forward direction claimed silicon diodes 2, 2 ', a voltage-dependent resistor or a Diode with a threshold value, in particular a Zener diode 3, 3 ', and a resistor 4, 4 ', connected in parallel; these switching elements are so beiriessen that the over the ignition electrode of the controllable silicon rectifier 1, 1 'flowing partial current i2 at voltage values below the Zener voltage of the Zener diodes 3, 3 ' less than the ignition value of the controllable silicon rectifier 1.1 'and over the Zener voltage of the Zener diodes 3, 3 'is greater than the voltage values Ignition value of the controllable silicon rectifier 1, 1 'and the reverse voltage of the uncontrolled silicon diodes 2, 2 'much greater than the Zener voltage of the Zener diodes 3, 3 'is.

Geht man zum Verständnis der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach F i g. 1 der Zeichnung von einem Zeitpunkt aus, an dem an der Klemme 5 positives und an der Klemme 5' negatives Potential herrschen, und ist die anliegende Spannung kleiner als die Zenerspannung der Zenerdiode 3, dann kann zwischen den Klemmen 5 und 5' kein Strom fließen; steigt jedoch die angelegte Spannung über die Zenerspannung der Zenerdiode 3, so fließt ein Strom über die ungesteuerte Diode 2 und die Zenerdiode 3 sowie einerseits über den Widerstand 4 und andererseits über die Zündelektrode des steuerbaren Gleichrichters 1; es findet also eine Stromteilung statt, wobei über den Widerstand 4 der Teilstrom il und über die Zündelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 1 der Teilstrom 1, fließt.If one goes to understand the mode of operation of the circuit arrangement according to the invention according to FIG. 1 of the drawing from a point in time at which there is positive potential at terminal 5 and negative potential at terminal 5 ', and if the applied voltage is lower than the Zener voltage of Zener diode 3, then no current can flow between terminals 5 and 5'; However, if the applied voltage rises above the Zener voltage of the Zener diode 3, a current flows through the uncontrolled diode 2 and the Zener diode 3 and, on the one hand, through the resistor 4 and, on the other hand, through the ignition electrode of the controllable rectifier 1; A current division thus takes place, with the partial current I1 flowing through the resistor 4 and the partial current I1 flowing through the ignition electrode of the controllable silicon rectifier 1.

Erreicht dabei der über die Zündelektrode des steuerbaren Gleichrichters 1 fließende Strom dessen Zündwert, so wird der steuerbare Gleichrichter 1 stromdurchlässig und dadurch die Spannungsquelle kurzgeschlossen.This is achieved via the ignition electrode of the controllable rectifier 1 flowing current whose ignition value, the controllable rectifier 1 is current-permeable and thereby short-circuited the voltage source.

Tritt nur ein kurzzeitiger Stromstoß innerhalb einer Halbwelle einer Wechselspannung auf, z. B. die Entladung eines Kondensators od. dgl., so wird dieser Stromstoß über den steuerbaren Siliziumgleichrichter 1 geleitet, ohne daß das der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nachgeschaltete Gerät durch eine Überspannung Schaden erleiden kann; dabei geht der steuerbare Siliziumgleichrichter 1 bzw. 1' sofort wieder in den Sperrzustand über, sobald der Kurzschlußstrom unter den sogenannten Haltestrom des Gleichrichters 1 bzw. 1' absinkt.If only a brief current surge occurs within a half-wave of a AC voltage on, e.g. B. od the discharge of a capacitor. Like. This is Current surge passed through the controllable silicon rectifier 1 without the Circuit arrangement according to the invention downstream device due to an overvoltage Can suffer harm; the controllable silicon rectifier 1 or 1 ' immediately back into the blocking state as soon as the short-circuit current falls below the so-called Holding current of rectifier 1 or 1 'drops.

Erstreckt sich der auftretende Kurzschluß jedoch über mehrere Halbwellen einer Wechselspannung, so muß der Kurzschlußstrom durch eine für diesen Fall vorgesehene Überstrom-Schutzeinrichtung an sich bekannter Art, z. B. eine Schmelzsicherung, einen Sicherungsautomaten od. dgl., unterbrochen werden; tritt beim Wiedereinschalten von neuem ein Kurzschlußstrom auf, so muß die Ursache dieses Kurzschlußstromes behoben werden.However, the short circuit that occurs extends over several half-waves an alternating voltage, the short-circuit current must pass through a voltage provided for this case Overcurrent protection device of a known type, e.g. B. a fuse, a circuit breaker od. The like., Are interrupted; occurs when switching on again If a short-circuit current occurs again, the cause of this short-circuit current must be eliminated will.

Bei der vereinfachten Schaltungsanordnung nach F i g. 2 ist der Zweig der Antiparallelschaltung, der aus den elektrischen Schaltelementen 1' bis 4' besteht, durch einen Silizium-Leistungs-Gleichrichter 6 ersetzt, dem die Aufgabe zukommt, die bei der Abschaltung von Gleichspannungskreisen unter Umständen auftretenden hohen Schaltspitzen negativer Polarität von der aus den Schaltelementen 1 bis 4 bestehenden Spannungsbegrenzungsanordnung fernzuhalten.In the simplified circuit arrangement according to FIG. 2 is the branch the anti-parallel connection, which consists of the electrical switching elements 1 'to 4', replaced by a silicon power rectifier 6, which has the task of which may occur when switching off DC voltage circuits high switching peaks of negative polarity from the switching elements 1 to 4 the existing voltage limiting arrangement.

Claims

Claims: 1. Circuit arrangement equipped with semiconductor elements for limiting a direct or alternating voltage, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h two controllable, antiparallel-connected in a manner known per se Silicon rectifiers (1, 1 '), each of which is connected in series with one in the The same forward direction stressed silicon diode (2, 2 ') with a voltage-dependent Resistance or a diode with a threshold value, in particular a Zener diode (3,3 '), and a resistor (4,4') is connected in parallel and by such a Dimensioning of these switching elements that the controllable via the ignition electrode Silicon rectifier (1, 1 ') flowing partial current (i,) at below the Zener voltage of the Zener diodes (3, 3 ') lying voltage values lower than the ignition value of the controllable Silicon rectifier (1, 1 ') and when the Zener voltage is above the Zener diodes (3, 3 ') lying voltage values greater than the ignition value of the controllable silicon rectifier (1, 1 ') and the reverse voltage of the uncontrolled silicon diodes (2, 2') are essential is greater than the Zener voltage of the Zener diodes (3, 3 ').

2. Circuit arrangement according to claim 1, for limiting a DC voltage, characterized in that one of the two, from a controllable silicon rectifier (1 ') and the parallel-connected series connection of a claimed in the same forward direction diode (2') with a voltage-dependent resistor or a Diode with a threshold value, in particular a Zener diode (3 '), and a resistor (4') existing circuit is replaced by a power diode (6).