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Schutzschaltanordnung für ein gesteuertes Halbleiter-Schaltelement
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltanordnung für ein gesteuertes Halbleiter-Schaltelement,
das in eina niederfrequenten Wechselstromnetz eine mindestens eine Induktilität
enthaltende Impedanz ein- und ausschaltet, und bei welcher dem Halbleiterelement,
als Schutz gegen kurzzeitige Ueberspannungen, die vom Wechselstromnetz konen, ein
RC-Serienglied parallel geschaltet ist.
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Bei den bekannten kontaktlosen Schutzschaltanordnungen mit einem
das Halbleiter-Schaltelement gegen aus dem Wechselstromnetz kommende Ueberspannungen
schützenden RC-Serienglied, muss der Widerstand des RC-Seriengliedes niederohmig
sein, um das gesteuerte Halbleiterelement gegen diese Ueberspannungen zu schützen.
Im allgemeinen beträgt der Widerstand im genannten RC-Glied 20-50-100 wLund die
Kapazität des im RC-Serienglied eingeschalteten Kondensators
ca.
10 nF. Ein solches RC-Serienglied kann jedoch das Halbleiterelement nicht ausreichend
gegen die von der geschalteten Impedanz kommenden Ueberspannungen schützen. Solche
"Last-Ueberspannungen, wie z.B. Ueberschwingen be Aufschalten der Netzspannung,
beim Abschalten der Last oder Ueberspannungen, deren Ursache im Trägerstaueffekt
liegt, werden wegen des nur kleinen Widerstandswertes und der daraus folgenden schwachen
Dämpfung des aus dei Schutzkondensator des RC-Seriengliedes und der Induktivität
der Last bestehenden Serienschwingkreises nicht ausreichend b.grenzt.
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Zweck der Erfindung ist es, eine Schutzschaltanordnung für ein gesteuertes
Halbleiterelement zu finden, bei welchen die erwähnten Nachteile weitgehend beseitigt
sind.
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Die erfindungsgemässe Schutzschaltanordnung ist dadurch gekennzeichnet,
dass parallel zum RC-Serienglied mindestens ein weiteres RC-Serienglied geschaltet
ist, welches das gesteuerte Halbleiterelement gegen Ueberspannungen, die von der
geschalteten Impedanz herrühren, schützt, wobei die Zeitkonstante der RC-Serienglieder
verschieden sind.
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Vorzugsweise enthält die Schutzschaltanordnung zwei RC-Serienglieder,
wobei der Widerstand des zweiten RC-Seriengliedes einen Wert von 6K#- lkw und der
Kondensator desselben einen Wert 0,1µF aufweisen kann, sofern die Gibse des Laststromes
zwischen 2-6A liegt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
AusfUhrungsbeispiels ausführlich erläutert.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein elktronisches SchUtz S,
welches einen Steuerkontakt K enthalt und
bei welchem die geschaltete
mindestens eine Induktivität aufweisende Impedanz wie eine Last in einen seiner
zwei Zufuhrungsleiter eingeschaltet ist. Eine erste Klemme X dieser aus der Last
L und dem elektronischen Schütz S bestehenden Serienschaltung ist an einen Phasenleiter
und eine zweite Klemme 0 an einen Nulleiter eines Wechselstromnetzes angeschlossen.
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Das dargestellte elektronische Schütz S enthält ein gesteuertes Halbleiterelement
B1, beispielsweise einen sogenannten "Triac", welcher bekanntlich in seiner Funktion
anti-parallel geschalteten und mit einer gemeinsamen Steuerelektrode 0 versehenen
Thyristoren entspricht. Zur gesteuerten Zündung dieses "Triacs" enthält das Schütz
S eine aus einem selbszündenden Halbleiterelement, einen sogenannten "Disc" B2'
einen Widerstand R3 und einen Kondensator C3 bestehende ZUndschaltung.
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Eine erste Anode Al des "Triacs" B1 ist an die Nullleiter-Klemme
0 angeschlossen und die zweite Anode A2 desselben ist über die Last L lit der Phasenleiter-Klemme
X verbunden. Parallel zum "Triac" B1 sind ein erstes und ein zweites RC-Serienglied
R1, C1 bzw. R2, C2 geschaltet.
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Die gemeinsame Steuerelektrode G des "Triacs" B1 ist an die eine
Elektrode des wDincs't B2 angeschlossen, dessen andere Elektrode sowohl über einen
dritten Kondensator C3 mit der ersten Anode Al des "Triacs" und mit der Nullleiterklemme
0, als auch über einen dritten Widerstand R3 und einen Steuerkontakt K mit der zweiten
Anode A2 des "Triacs" B1 und über die Last L auch mit der Phasenleiterklemme X verbunden
ist.
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Die beschriebene elektronische Schutzschaltanordnung
arbeitet
wie folgt Wenn der Steuerkontakt K geschlossen ist, lädt sich in der Zündschaltung
der Kondensator C3 über den Widerstand R3 auf, bis die Durchbruchspannung des "Diacs"
B2 erreicht wird. Dann zündet dieses Halbleiter-Schaltelement B2, wodurch die an
dem Kondensator C3 liegende Spannung zwischen die Steuerelektrode G und die erste
Anode Al des "Triacs" B1 gelegt wird, so dass der "Triac" B1 und der Kondendator
C3 sich über den "Diac" B2 und die Steuerelektrode G - erste Anode Al-Strecke entlädt.
Bei gezUndetem "Triac" B1 bricht die Spannung zwischen seinen beiden Anoden Al und
A2 bis auf die Durchlasspannung zusammen, wodurch der Laststrom von der einen Klemme
X zur anderen Klemme 0 fliessen kann.
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Beim nächsten Nulldurchgang des die Last durchfliessenden Wechselstromes
sperrt der "Diac" B1 und wird durch den Steuerkontakt K in der darauffolgenden Halbwelle
wieder geztindet usw.
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Solange der Steuerkontakt cfrrn ist, bleibt das Schaltelement B1
gesperrt und durch die Last L fliesst nur ein geringer Strom, der durch die Elemente
R1, C1 and R2, C2 und den Widerstand des gesperrten "Triacs" B1 gegeben ist.
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Wie bereits erwähnt, dient das erste RC-Serienglied R1, C1 zum Schutz
des ersten Halbleiter-Schaltelementes B1, des "Triacs" gegen kurzzeitige, vom Wechselstromnetz
herkommende Ueberspannungen. Zu die Zweck muss sein Widerstand R1 niederohmig sein.
Ueblicherweise hat der Widerstand R1 einen Wert von 20-50-100#. Der Kondensator
C1 des rsten
RC-Gliedes beträgt dabei meist ca. 10 nF.
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Das zweite RC-Serienglied soll dagegen die von der geschalteten Impedanz
kommenden Ueberspannungen begrenzen, wie z.B. das Ueberschwingen bein Aufschalten
der Netzspannung oder beim Abschalten der Last oder die Ueberspannung, deren Ursache
ii Trägerstaueffekt liegt. Zu diesem Zweck muss das zweite RC-Serienglied R2, C2
eine grössere Dämpfung im Anodenkreis des ersten Schaltelementes B1 bewirken und
deshalb ist ein grösserer Wert für seinen Widerstand R2 von Vorteil. Dieser grössere
Widerstand dämpft dann besser die Schwingungen, die in dem Serienschwingkreis entstehen,
der aus der Induktivität der Last und dem Kondensator des RC-Seriengliedes besteht.
Der Wert des Widerstandes R2 liegt bei Lastnennströmen von 2 bis 6A zwischen 6K#-
1k#, wobei die Dimensionierung desselben nit Berücksichtigung auf die grösste Lastinduktivität
erfolgen muss.
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Entsprechend Versuchen mit diesem elektronischen Schütz dürfen die
Elemente des ersten RC-Seriengliedes folgende Werte haben R1 - 18#; C1 = 10 nF Hinsichtlich
der von der Last L kommenden Ueberspannungen darf man das erste RC-Serienglied ausser
Acht lassen, und die Elemente des zweiten RC-Seriengliedes der fen dann folgende
Werte aufweisen R2 = 5,6 K# ; C2 - 0,1µF beim 2A-Schütz R2 = 2,2 K#; C2 = 0,1 µF
beim 6A-Schütz
Nach dem Aufheren des Zündimpulses muss noch ein
gewisser minimaler Laststrom durch das erste Schaltelement B1 fliessen, danit dieser
"Triac" leitend bleibt. Daraus folgt, dass eine Mindestgrösse der Last vorhanden
sein muss, um eine sichere Funktion zu gewährleisten. Auch hier bringt das Einschalten
des zweiten RC-Serienkreises einen Vorteil mit sich. Wegen der grösseren Zeitkonstante
dieses zweiten RC-Serienkreises liefert dieses beim Aufhören des Steuerimpulses
einen Strom an den Anodenkreis des "Triacs" B1.
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Dieser Strom addiert sich zum Laststrom, der durch das Schaltelement
B1 fliesst. Damit kann eine kleinere Mindestlast und ein langsamerer Anstieg des
Laststromos zugelassen werden.