DE2600875B2

DE2600875B2 - Elektronischer Wechselstrom-Leistungsschalter

Info

Publication number: DE2600875B2
Application number: DE19762600875
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 5200 Siegburg Koch
Original assignee: Rheinisch-Westfaelische Isolatorenwerke 5200 Siegburg GmbH
Current assignee: Rheinisch-Westfaelische Isolatorenwerke 5200 Siegburg GmbH
Priority date: 1976-01-12
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1978-08-10
Also published as: NL7700204A; DE2600875A1; BE850231A; FR2337973A1; CH611470A5

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Wechselstrom-Leistungsschalter auf Triac-Grundlage.

Bekannt sind als elektrische Schalter Transistoren, Thyristoren, Triacs und Schalt-Dioden.

Für das Schalten beider Halbwellen eines Wechselstroms werden seit langem Triacs verwendet.

Der Triac schaltet beide Halbwellen eines Wechselstroms mit nur einer Steuerelektrode, hat jedoch ein schlechtes du/dt von 10 bis 50 V^s. Die periodische Spitzensperrspannung liegt heute bei höchstens 1200 V, meistens jedoch bei 200 bis 600 V. Hochvolt-Typen sind nicht nur technisch schwierig herstellbar, sondern auch sehr teuer. Durch seine Empfindlichkeit gegen steile Spannungsspitzen im Netz, die bis zu 8000 V betragen können, ist das Einsatzgebiet von Triacs stark eingeschränkt

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Wechselstrom-Leistungsschalter auf Triac-Grundlage zu schaffen, der eine hohe Spitzensperrspannung besitzt und gegen steile Spannungsspitzen völlig unempfindlich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Last und der Wechselstromquelle gegeneinander in Reihe zwei Triacs geschaltet sind, deren Steuerelektroden verbindbar sind.

Solange die Steuerelektroden verbunden sind, sind beide in Reihe gegeneinander geschalteten Triacs in leitendem Zustand.

Durch die in Reihe gegeneinander geschalteten Triacs wird die Spitzensperrspannung mehr als verdoppelt, ebenfalls das du/dt-Verhältnis vervielfacht.

Diese Eigenart erklärt sich dadurch, daß ein Einzel-Triac — konstruktiv bedingt — in der einen Durchlaßrichtung meist eine Sperrspannung von 1000 V besitzt, in der Gegenrichtung jedoch nur 200 bis 600 V. Beim Einsatz eines zweiten Triacs in einem Wechselstromnetz darf demnach die Versorgungsspannung nur so hoch sein, wie es der Triac in der niedrigsten

s Sperrichtung zuläßt

Würde man zwei Triacs in Reihe, aber nicht gegeneinander schalten, würde sich die Spitzensperrspannung in der hohen Sperrspannungsrichtung von 1000 V auf 2000V verdoppeln. In der niedrigen

ίο Sperrspatinungsrichtung von angenommen 500 V würde sich gleichfalls die Sperrspannung auf 1000 V verdoppeln. Das Sperrspannungsverhalten wäre also richtungsabhängig.
Schaltet man jedoch erfindungsgemäß die zwei Triacs nicht nur in Reihe, sondern den zweiten Triac mit entgegengesetzter Polarität gegeneinander, erhöht sich die Spitzensperrspannung in der einen Richtung auf 1000 + 500 = 1500V. In der Gegenrichtung erhöht sich die Spitzensperrspannung demnach sinngemäß auch auf 1500 V. Man erzielt durch diese Schaltungsanordnung nicht nur eine sehr hohe Spitzensperrspannung, sondern auch eine gleichmäßige Sperrspannung in beiden Richtungen. Das du/dt-Verhältnis verbessert sich dabei nicht nur im gleichen Verhältnis wie die Spannungen, sondern um ein Vielfaches, so daß ein du/dt-Verhältnis von einigen 1000 ν/μ5 erreichbar ist. Diese Eigenart erklärt sich dadurch, daß die beiden in Reihe und gegeneinander geschalteten Triacs jeweils in anderen Quadranten arbeiten und eine Zündzeitverzögerung beim Durchbruch erfolgt, die größer ist als die Impulsbreite eines sehr steilen Spannungsimpulses.

Die Fertigungskosten betragen nur einen Teil eines bisherigen Triacs mit einer Sperrspannung von 1200 V, weil gemäß der Erfindung sehr preiswerte Triac-Chips mit niedrigen Spitzensperrspannungen verwendet werden können bzw. der ganze Schalter mit seinen zwei Triac-Chips in einem Gehäuse unterbringbar ist.

Eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Wechselstrom-Leistungsschalters ist durch die Lehre nach dem Anspruch 2 gegeben.

Bei dieser Ausführung steuern sich in Schließstellung des Ein-Aus-Schalters die beiden Triacs gegenseitig auf, da wegen Phasenverschiebung zu keinem Zeitpunkt die Steuerelektroden beider Triacs spannungslos sind. An einer der Steuerelektroden liegt also immer eine Spannung an, die höher als die zum vollständigen öffnen eines Triacs erforderlich ist, weshalb die Triacs, solange der Ein-Aus-Schalter geschlossen ist, leiten. Erst beim öffnen des Ein-Aus-Schalters wird die an den ,Steuerelektroden anliegende Spannung abgeschaltet, so daß die Triacs und damit der gesamte Wechselstrom-Leistungsschalter gesperrt v/erden.

Diese Ausführung des erfindungsgemäßen Wechselstrom-Leistungsschalters ist allerdings insoweit nachteilig, als an den Steuerelektroden der beiden Triacs die volle Spannung der Wechselstromquelle, also normalerweise Netzspannung, anliegt, so daß die Steuerelemente für diese Spannung ausgelegt sein müssen.
Diese letzte Unzulänglichkeit wird durch die Lehre nach den Ansprüchen 3 und 4 überwunden, indem die Steuerelektroden der beiden Triacs in bezug auf diese nicht mehr außen — wie bei der ersten Ausführung —, sondern zwischen den beiden Triacs liegen.

Das Ausführungsbeispiel nach dem Anspruch 4 hat dabei den besonderen Vorteil, daß gleichzeitig eine galvanische Trennung des Steuerkreises vom Lastkreis mit der Last und der Wechselstromquelle erreicht wird weshalb z. B. auch eine Gleichstromspeisung über eine

TTL-Logik ohne weiteres möglich ist.

Demgegenüber ist lediglich noch bekanntgeworden (vgl, FR-PS 20 60 581, DE-AS 19 46 492) eine Schaltungsanordnung zum Durchschalten von Meßwechselspannungen im Bereich von 10~² bis 10²V, die zwei gleichartige Triacs zwecks Kompensaiion des Fehlstroms gegensinnig miteinander geschaltet hat von denen beide Steuerelektroden parallel zu dem einen Pol einer Steuerspannungsquelle geführt sind, deren anderer Pol mit der Verbindungsleitung zwischen den Anoden der beiden Triacs verbunden ist, wobei die Steuerspannungsquelle die beiden Steuerelektroden gemeinsam mit einem Gleichstromsignal beaufschlagt.

Dieser bekannte Stand der Technik geht davon aus, daß die als Starkstromschalter entwickelten Triacs auch kleinste Spannungen und Ströme zu schalten vermögen, wenn man sie nicht mit einem kurzen Impuls in den leitenden Zustand steuert, sondern ein Gleichstromdauersignal anlegt, wodurch es möglich ist, Spannungen durchzuschalten, die weit unter der DurchlaCspannung von etwa 2 V liegen und wobei die dabei fließenden Ströme ständig kleiner als der Haltestrom von z. B. 60 mA sein können.

Abgesehen davon, daß der erfindungsgemäße Wechselstrom-Leistungsschalter von einer anderen Aufgabe ausgeht (vgl. oben) und definitionsgemäß gerade für das Schalten großer Leistungen, also Spannungen und Ströme, ausgelegt ist, insbesondere von Spannungen über 1000 V, unterscheidet sich speziell auch die Lehre des Anspruchs 3 von diesem bekannten Stand der Technik, da nach dieser vorteilhaften Weiterbildung die Steuerströme nicht mehr gegeneinander, sondern miteinander gerichtet sind, indem die beiden Pole der Steuerspannungsquelle mit den beiden Steuerelektroden verbunden sind, so daß in Abhängigkeit von Last-Wechselstrom jeweils andere Quadranten aufgesteuert werden als nach dem bekannten Stand der Technik.

Schließlich ist durch den Erfinder schon vor längerer Zeit bekanntgeworden (vgl. DT-PS 15 62 190) ein elektronisches Schütz für Drehstrom auf Thyristorbasis, das je einen Triac zwischen der ersten und der zweiten und zwischen der zweiten und der dritten Phasenklemnie hat, dessen Steuerelektrode über einen Diac und einen Widerstand bzw. über einen Diac mit einem einzigen gemeinsamen Schalter verbunden ist.

Mit einem derartigen bekannten Drehstrom-Schaltschütz wird ein einfacherer Aufbau und damit auch eine wirtschaftlichere Herstellung angestrebt.

Von diesem zuletzt genannten bekannten Stand der Technik unterscheidet sich die Erfindung nicht nur in der Aufgabe, sondern auch in der Lösung, indem weder Diacs noch ein Widerstand zwischen den Steuerelektroden der Triacs und dem Schalter vorhanden sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Wechselstrom-Leistungsschalters mit einem Ein-Ai's-Schalter im Steuerkreis; und

F i g. 2 und 3 zwei weitere Ausführungsbeispiele des Wechselstrom-Leistungsschalters, bei dem jeweils die Steuerelektroden zwischen den beiden Triacs liegen.

Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß eine Wechselstromquelle Q mit einer Last L über die Reihenschaltung von zwei Triacs Tn und Tr₂ verbunden ist, die jeweils eine Anode A\ bzw. A₁, eine Kathode K\ bzw. K₂ und eine Steuerelektrode St\ bzw. St₂ aufweisen.

Während im Ausführungsbeispiel von F i g. 1 die

beiden Steuerelektroden Sti und St₂ in bezug auf die Triacs Tn und Tr₂ außen liegen, liegen sie bei den Ausführungsbeispielen von F i g. 2 und F i g. 3 innen, wie ohne weiteres aus der Zeichnung ersichtlich ist

Die Verbindung der Steuerelektroden St\ und St₂ erfolgt im Ausführungsbeispiel von F i g. 1 durch einen Ein-Aus-Schalter Sw, in F i g. 2 über eine Steuergleichstrom-Quelle GQ und eine Diode D und in F i g. 3 über die Sekundärwicklung S eines Übertragers UT, dessen Primärwicklung P von einer Steuerwechselstrom-Quel-Ie WQ gespeist ist, obwohl anstelle der Steuerwechselstrom-Quelle WQ auch eine (nicht gezeigte) G'eichstromimpuls-Quelle vorgesehen sein kann.

Die abgebildeten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wechselstrom-Leistungsschalters arbeiten folgendermaßen:
Das Prinzip ist dabei aus F i g. 1 erkennbar.

Von der Wechselspannungsquelle Q fließt während einer Halbwelle der Strom über die Last L zur Kathode des ersten Triacs Tn, über dessen inneren Widerstand von etwa 60 Ω zur Steuerelektrode St\ und weiter über den geschlossenen Schalter Sw zur Steuerelektrode St₂ des zweiten Triacs Tr₂, über dessen inneren Widerstand zur Kathode K₂ und von dort zur Quelle Q zurück. Bei der anderen Halbwelle des Wechselstroms fließt der Strom in der entgegengesetzten Richtung.

Man erkennt an dem Stromverlauf, daß die Stromrichtung vom Triac Tn einerseits von K\ nach St und beim zweiten Triac in der gleichen Halbwelle von St nach K₂ fließt, so daß während jeder Halbwelle beide Triacs in einem anderen Quadranten gezündet werden. Beim Fließen eines Steuerelektrodenstroms öffnen beide Triacs und die Laststrecke stellt einen niedrigen Nebenschluß von einigen mß zum Steuerkreis her. Da dieser Vorgang in Mikrosekunden abläuft, ergibt sich dadurch eine Steuerstrombelastung von nur 1/100 W.

F i g. 2 und F i g. 3 ergibt die gleiche Funktion wie in F i g. 1, nur, daß die beiden Triacs Tn und Tr₂ nicht mit den Anoden A\ und A₂ verbunden sind, sondern mit den Kathoden K\ und K₂, so daß die Anoden A\ und A₂ die Laststrecke darstellen.

Die Vorteile gegen F i g. 1 liegen darin, daß im gesperrten Zustand beider Triacs die Steuerelektroden stromlos bleiben, auch wenn sie wie in F i g. 3 über eine Sekundärwicklung S miteinander verbunden sind. Dadurch wird wie in F i %. 3 dargestellt, eine galvanische Trennung des Steuerkreises vom Lastkreis erreicht, so daß man in die Primärwicklung P wahlweise eine Steuerwechselspannung oder Gleichstromimpulse zum Aufsteuern der beiden Triacs Tn und Tr₂ einspeisen kann bzw. eine reine Gleichspannungsaufsteuerung ohne galvanische Trennung, wie in Fig.2 dargestellt, erreichen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Wechselstrom-Leistungsschalter aufTriac-Grundlage, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Last (L) und der Wechselstromquelle (Q) gegeneinander in Reihe zwei Triacs (7h, Tr₂) geschaltet sind, deren Steuerelekl roden (Ai, St₂) verbindbar sind.

2. Wechselstrom-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Triacs (Tr_x, Tr₂) die Anoden (A\, A₂) unmittelbar miteinander und die Steuerelektroden (Stu St₂) über einen Ein-Aus-Schalter (Sw) miteinander verbunden sind (P i g. 1).

3. Wechselstrom-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Triacs (Tn, Tr₂) die Kathoden (Ku K₂) unmittelbar miteinander und die Steuerelektroden (St\, St₂) über eine Diode (D) und eine Steuergleichstrom-Quelle (GQ) miteinander verbunden sind (F ig. 2).

4. Wechselstrom-Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Triacs (Tr₁, Tr₂) die Kathoden (Ki, K₂) unmittelbar miteinander und die Steuerelektroden (Ai, A₂) über die Sekundärwicklung (S,) eines Übertragers (UT) verbunden sind, dessen Primärwicklung (P) von einer Steuerwechselstrom-Quelle (WQ) oder mit Gleichstromimpulsen beaufschlagbar ist (F ig. 3).