DE2600875B2 - Electronic AC circuit breaker - Google Patents
Electronic AC circuit breakerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Wechselstrom-Leistungsschalter auf Triac-Grundlage.The invention relates to an electronic AC circuit breaker based on triac.
Bekannt sind als elektrische Schalter Transistoren, Thyristoren, Triacs und Schalt-Dioden.Transistors, thyristors, triacs and switching diodes are known as electrical switches.
Für das Schalten beider Halbwellen eines Wechselstroms werden seit langem Triacs verwendet.Triacs have long been used to switch both half-waves of an alternating current.
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 eingeschränktThe triac switches both half-waves of an alternating current with only one control electrode, but has one bad du / dt from 10 to 50 V ^ s. The periodic The peak reverse voltage today is a maximum of 1200 V, but mostly 200 to 600 V. High-voltage types are not only technically difficult to manufacture, but also very expensive. Due to its sensitivity to steep Voltage peaks in the network, which can be up to 8000 V, are where triacs are used restricted
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.In contrast, it is the object of the invention to provide an electronic AC circuit breaker To create a triac base that has a high peak reverse voltage and against steep voltage peaks is completely insensitive.
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.The solution to this problem is characterized in that between the load and the alternating current source two triacs are connected against each other in series, the control electrodes of which can be connected.
Solange die Steuerelektroden verbunden sind, sind beide in Reihe gegeneinander geschalteten Triacs in leitendem Zustand.As long as the control electrodes are connected, both triacs connected in series are in conductive state.
Durch die in Reihe gegeneinander geschalteten Triacs wird die Spitzensperrspannung mehr als verdoppelt, ebenfalls das du/dt-Verhältnis vervielfacht.Due to the triacs connected in series against one another, the peak reverse voltage is more than doubled, also multiplied the du / dt ratio.
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 niedrigstenThis peculiarity is explained by the fact that a single triac - due to the design - in one Forward direction usually has a reverse voltage of 1000 V, but only 200 to 600 V in the opposite direction. When using a second triac in an alternating current network, the supply voltage may only be as high as the triac will be in the lowest
s Sperrichtung zuläßts blocking direction allows
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 niedrigenIf you were to connect two triacs in series, but not against each other, the peak reverse voltage would change Double in the high reverse voltage direction from 1000 V to 2000V. In the low
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.ίο Blocking spinning direction of assumed 500 V would also double the blocking voltage to 1000 V. The reverse voltage behavior would therefore be direction-dependent.
If, however, according to the invention, the two triacs are not only connected in series, but the second triac with opposite polarity is connected to one another, the peak reverse voltage increases in one direction to 1000 + 500 = 1500V. In the opposite direction, the peak reverse voltage increases accordingly to 1500 V. This circuit arrangement not only achieves a very high peak reverse voltage, but also a uniform reverse voltage in both directions. The du / dt ratio improves not only in the same ratio as the voltages, but by a multiple, so that a du / dt ratio of several 1000 ν / μ5 can be achieved. This peculiarity is explained by the fact that the two triacs connected in series and against one another each work in different quadrants and there is an ignition time delay upon breakdown which is greater than the pulse width of a very steep voltage pulse.
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.The production costs are only part of a previous triac with a reverse voltage of 1200 V, because according to the invention very inexpensive triac chips with low peak reverse voltages are used can or the whole switch with its two triac chips can be accommodated in one housing.
Eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Wechselstrom-Leistungsschalters ist durch die Lehre nach dem Anspruch 2 gegeben.A first embodiment of the alternating current circuit breaker according to the invention is based on the teaching according to claim 2 given.
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.In this version, when the on / off switch is in the closed position, the two triacs open each other, because the control electrodes of both triacs are never de-energized due to the phase shift. At One of the control electrodes is therefore always applied with a voltage that is higher than that for complete opening of a triac is required, which is why the triacs conduct as long as the on / off switch is closed. First when the on-off switch is opened, the voltage applied to the control electrodes is switched off, see above that the triacs and thus the entire AC circuit breaker blocked v / ground.
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.This embodiment of the alternating current circuit breaker according to the invention is disadvantageous in that the full voltage of the alternating current source, normally mains voltage, is applied to the control electrodes of the two triacs, so that the control elements must be designed for this voltage.
This last inadequacy is overcome by the teaching according to claims 3 and 4 in that the control electrodes of the two triacs are no longer outside with respect to them - as in the first embodiment - but between the two triacs.
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 eineThe embodiment according to claim 4 has the particular advantage that at the same time one galvanic separation of the control circuit from the load circuit with the load and the alternating current source is achieved why z. B. also a direct current supply via a
TTL-Logik ohne weiteres möglich ist.TTL logic is easily possible.
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. In contrast, a circuit arrangement for switching through measurement AC voltages in the range of 10 ~ 2 to 10 2 V, which switches two similar triacs in opposite directions to compensate for the fault current, has only become known (see FR-PS 20 60 581, DE-AS 19 46 492) of which both control electrodes are led parallel to one pole of a control voltage source, the other pole of which is connected to the connecting line between the anodes of the two triacs, the control voltage source applying a direct current signal to the two control electrodes together.
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.This known prior art assumes that the triacs developed as high-voltage switches also Able to switch the smallest voltages and currents if they are not fed into the with a short pulse controls the conductive state, but applies a continuous current signal, which makes it possible to generate voltages through which are far below the forward voltage of about 2 V and with the flowing Currents constantly smaller than the holding current of z. B. can be 60 mA.
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.Apart from the fact that the AC circuit breaker according to the invention starts from a different task (see above) and by definition just for that Switching large powers, ie voltages and currents, is designed, especially voltages over 1000 V, the teaching of claim 3 differs from this known prior art Technology, since according to this advantageous development the control currents are no longer against each other, but are directed with each other by connecting the two poles of the control voltage source to the two control electrodes are connected, so that depending on the load alternating current, other quadrants are opened are considered to be in the known state of the art.
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.After all, a long time ago became known by the inventor (cf. DT-PS 15 62 190) Electronic thyristor-based contactor for three-phase current, with a triac between the first and the second and between the second and the third phase terminal, the control electrode of which has a diac and a resistor or a diac is connected to a single common switch.
Mit einem derartigen bekannten Drehstrom-Schaltschütz wird ein einfacherer Aufbau und damit auch eine wirtschaftlichere Herstellung angestrebt.With such a known three-phase contactor, a simpler structure and thus also a more economical production sought.
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.The invention differs from this last-mentioned known state of the art not only in terms of the task, but also in the solution, by adding neither diacs nor a resistor between the control electrodes the triacs and the switch are present.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to the drawing. It shows
F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Wechselstrom-Leistungsschalters mit einem Ein-Ai's-Schalter im Steuerkreis; undF i g. 1 shows a first exemplary embodiment of the AC circuit breaker with an on-ais switch in the control circuit; and
F i g. 2 und 3 zwei weitere Ausführungsbeispiele des Wechselstrom-Leistungsschalters, bei dem jeweils die Steuerelektroden zwischen den beiden Triacs liegen.F i g. 2 and 3, two further exemplary embodiments of the AC circuit breaker, in which in each case the Control electrodes lie between the two triacs.
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.All the exemplary embodiments have in common that an alternating current source Q is connected to a load L via the series connection of two triacs Tn and Tr 2 , each of which has an anode A \ or A 1 , a cathode K \ or K 2 and a control electrode St \ or St 2 have.
Während im Ausführungsbeispiel von F i g. 1 dieWhile in the embodiment of FIG. 1 the
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 istBoth control electrodes Sti and St 2 are on the outside with respect to the triacs Tn and Tr 2 , they are in the exemplary embodiments of FIG. 2 and F i g. 3 inside, as is readily apparent from the drawing
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.The connection of the control electrodes St 1 and St 2 takes place in the exemplary embodiment of FIG. 1 by an on-off switch Sw, in F i g. 2 via a control direct current source GQ and a diode D and in FIG. 3 via the secondary winding S of a transformer UT, the primary winding P of which is fed by a control alternating current source WQ, although a direct current pulse source (not shown) can also be provided instead of the control alternating current source WQ.
Die abgebildeten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wechselstrom-Leistungsschalters arbeiten
folgendermaßen:
Das Prinzip ist dabei aus F i g. 1 erkennbar.The illustrated embodiments of the AC circuit breaker according to the invention work as follows:
The principle is shown in FIG. 1 recognizable.
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.During a half-cycle, the current flows from the AC voltage source Q via the load L to the cathode of the first triac Tn, via its internal resistance of about 60 Ω to the control electrode St \ and further via the closed switch Sw to the control electrode St 2 of the second triac Tr 2 , via its internal resistance to the cathode K 2 and from there to the source Q back. At the other half cycle of the alternating current, the current flows in the opposite direction.
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.The current curve shows that the current direction from the triac Tn flows on the one hand from K \ to St and in the second triac in the same half-cycle from St to K 2 , so that both triacs are triggered in a different quadrant during each half-cycle. When control electrode current flows, both triacs open and the load path shunts a few meters to the control circuit. Since this process takes place in microseconds, this results in a control current load of only 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.F i g. 2 and F i g. 3 gives the same function as in FIG. 1, only that the two triacs Tn and Tr 2 are not connected to the anodes A \ and A 2 , but to the cathodes K \ and K 2 , so that the anodes A \ and A 2 represent the load path.
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.The advantages over F i g. 1 are that in the locked state of both triacs, the control electrodes remain de-energized, even if they are as shown in FIG. 3 are connected to one another via a secondary winding S. This becomes as in F i %. 3, a galvanic separation of the control circuit from the load circuit is achieved, so that an alternating control voltage or direct current pulses can be fed into the primary winding P to control the two triacs Tn and Tr 2 or a pure DC voltage control without galvanic separation, as shown in FIG , can reach.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (4)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8235 | Patent refused |