Ein thermisches Abbild darstellende Schutzschaltung für ein elektrisches Gerät Die Erfindung betrifft eine ein thermisches Abbild darstellende Schutzschaltung, welche die thermischen Verhältnisse elektrischer Geräte mit mehreren den selben Strom führenden Teilen nachbildet.
Insbe sondere betrifft sie die thermische Nachbildung von Halbleiter-Gleichrichtern, welche in Metallplatten eingebettet sind und bei denen sich weitere metalli sche Teile zur Zuführung des Stromes und zur Küh lung der ganzen Anordnung befinden.
Solche Einrichtungen lassen sich nicht mit ein fachen Modellen, wie sie bisher bekanntgeworden sind, nachbilden. Bisher hat man thermische Abbilder durch massstabgetreue Umwandlungen der thermi schen Eigenschaften ausgeführt. Man hat den durch fliessenden Strom in einem bestimmten Verhältnis ver kleinert und dementsprechend auch die Wärmeauf nahmefähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des zu schüt zenden Gegenstandes in ein solches Verhältnis zu den entsprechenden thermischen Eigenschaften des Modelles gebracht, dass die Zeiten, nach denen eine bestimmte Temperatur erreicht wird, in beiden Fällen gleich sind.
Man hat also thermische Eigen schaften des Gegenstandes durch thermische Eigen schaften des Modelles nachgebildet und nur die Werte massstabmässig geändert.
Es ist auch bekanntgeworden, Relais zu verwen den, deren Kennlinien, also deren funktionelle Ab hängigkeit der Auslösezeit vom zugeführten Strom etwa den thermischen Grössen des Schutzgegenstandes entsprechen.
Man hat Zeitverzögerungsglieder an diesen Relais vorgesehen, welche mechanisch, ther misch oder magnetisch wirken und so konstruiert sind, dass sie den thermischen Vorgang am Schutz gegenstand analog nachahmen. Insbesondere hat man in neuer Zeit auch die Aufladung von Konden satoren hierzu ausgenutzt, wobei die am Kondensator entstehende Spannung nach Durchgang des Stromes der am Schutzgegenstand entstehenden Temperatur analog ist.
Die Zeitkonstante des elektrischen Kreises entspricht der Zeitkonstanten für die Erwärmung des Schützlings.
Bei allen diesen Geräten hat man ein einziges Verzögerungsglied verwendet und versucht, deren Kennlinie etwa den Wärmekennlinien des Schützlings anzupassen. Diese Methode ist bei einfachen Ge räten, bei denen im wesentlichen nur ein einziges wärmespeicherndes Glied und eine einzige Wärme quelle vorhanden ist, ausreichend.
Je mehr Wärme quellen aber vorhanden sind, und je mehr Teile ver schiedener Wärmekapazität verwendet werden müs sen, um so ungenügender ist es möglich, -die thermi schen Eigenschaften mit Hilfe einer einzigen Kenn- linie darzustellen.
Besonders bei Halbleitergleichrichtern, welche schon bei geringen überschreitungen der zulässigen Temperatur gefährliche Schäden erleiden können und welche verhältnismässig klein sind, aber mit Vor richtungen grosser Wärmeaufnahmefähigkeit versehen werden müssen, ist die Anwendung der bekannten Einrichtungen völlig unzureichend.
Insbesondere geht dies darum nicht, weil. die Halbleiter selbst nach einer anderen Funktion ihre Temperatur erhöhen als die sie umgebenden Teile. Eine gegebenenfalls vorhandene Kühleinrichtung stellt eine weitere Wärmequelle dar. Ausserdem muss auch der Einfluss der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Lediglich die massstabgetreue Modellnachbildung der thermischen Eigenschaften könnte hierbei einen besseren Schutz darstellen, da damit die einzelnen Elemente nachgebildet werden können.
Aber bei die sen ist es schwierig, den richtigen Massstab zu finden, da im Schützling verhältnismässig hohe Ströme bei kleinen Ausmassen auftreten. Bei einer Verkleine- rung des Stromes würden dann die Dimensionen im Modell so klein werden, dass eine konstruktive Aus- führung praktisch nicht mehr möglich ist.
Dazu kommt, dass eine Einstellbarkeit zur Anpassung an verschiedene Raumtemperaturen und Kühlungsver- hältnisse und die unvermeidlichen Unterschiede in der Fabrikation nicht mit -einfachen Mitteln durch geführt werden können..
Diese Nachteile werden nun durch den Erfin- dungsgedanken beseitigt und gleichzeitig eine einfach und billig veränderbare Einrichtung dadurch ermög licht, dass man erfindungsgemäss das Abbild aus Kon densatoren, Widerständen und Verstärkern zusam mensetzt, wobei im einzelnen die Wärmekapazität durch -entsprechende elektrische Kapazitäten,
die Wärmeübergangswiderstände durch entsprechende Ohmsche Widerstände und die Abhängigkeit der Temperaturerhöhung vom hindurchgehenden. Strom durch entsprechend übersetzende Verstärkerschal- tungen nachgebildet sind.
Die vorgeschlagene Anordnung bildet also- die Temperaturen der einzelnen Teile des Schützlings durch Spannungen nach, welche .an den verschie denen Kapazitäten entstehen. Die Abhängigkeit der Temperaturerhöhung vom Strom erfolgt in den ein zelnen Teilen nicht nach den gleichen Gesetzen. Bei Teilen, durch welche der Strom nur hindurchgeleitet wird, wie bei den Zuführungen und Befestigungs platten der Halbleiter, ist die Abhängigkeit anders wie beim Halbleiter selbst.
Bei jenen ist allein der Ohmsche Widerstand massgebend-, welcher die er zeugte Wärmemenge und damit den Temperatur- anstieg veraniasst. Die Temperatur wächst in diesem Fälle quadratisch mit dem Strom an.
Die erzeugte Wärmemenge ist 12R1. Die Erwärmung -des Halb.- leiters in Durchgangsrichtung des Stromes hängt mit der Stromspannungs Kennlinie des Schalters zusam men.
Wie die Fig. 1 zeigt, besteht der Spannungs abfall in den Halbleiterelementen in idealisierter Form aus einem konstanten Teil u6 und einem strom proportionalen Teil iR2, wobei R2 der Innenwiderstand des Halbleiters in Durchgangsrichtung ist, u, ist der Spannungsabfall längs der Sperrschicht, welcher un abhängig von der Stromhöhe ist.
Die Erwärmung bzw. die Verlustleistung ist dann im Halbleiter element i - u, -f- i2R2, besteht also aus einem linearen und einem quadratischen Glied.. Dazu kommt beim Halbleiterelement die Wirkung des Sperrstromes.. Dieser ist zwar im Normalbetrieb sehr klein und! be- einflusst praktisch die Temperatur nicht.
Aber vom Überschreiten einer bestimmten Temperatur ab steigt der Sperrstrom plötzlich rasch an und beschleunigt damit die Temperaturerhöhung durch den Durch gangsstrom. Auch dieser Vorgang kann bei der vor geschlagenen Anordnung leicht nachgebildet werden, indem ein Verstärkerglied benutzt wird, dessen Aus- gangsstrom- exponentiell -von der Eingangsspannung;
also dem Abbild der Temperatur,. abhängt. Diesen Strom führt man dann zusätzlich dem zugehörigen Kondensator zu, so- dass damit eine Beschleunigung der Aufladung entsteht. Auch die Umgebungstemperatur lässt sieh leicht bei der Anordnung nachbilden, indem der Nullpunkt der in den Kondensatoren erzeugten Spannungen mit Hilfe einer elektrischen Nachbildung der Umgebungs temperatur verschoben wird.
Die Fig. 2 und 3 erläutern ein Beispiel des Er- findungsgedankens. In Fig.2 ist ein Halbleiter- element mit seinen verschiedenen Teilen dargestellt: Der Halbleiter selbst ist mit 1 bezeichnet. Auf ihn ist eine Platte 2 aus Metall aufgelegt, welche zugleich die Stromzuführungslasche 3 besitzt.
Der Halbleiter selbst liegt auf einem weiteren Metallplättchen 4, wel ches wiederum auf einer Kühlungsplatte 5 mit den Kühlrippen 6 und dem anderen elektrischen Anschluss 7 gelegt ist.
Die einzelnen Teile 1 bis 5 werden nun in dem in der Fig. 3 gezeigten thermischen Abbild nachgebildet. Im Stromwandler 8 wird der durch den Schützling fliessende Strom abgenommen und auf einen kleinen Wert übersetzt. Der Strom wird dann in der Gleichrichteranordnung 9 gleichgerichtet und mehreren Verstärkern 11 bis 15 zugeführt. Diese bilden die Abhängigkeit der Temperaturerhöhung vom Strom für die einzelnen Teile des Schützlings ab.
Der Verstärker 11 gehört zum Halbleiterelement 1, der Verstärker 12 zur Deckplatte 2, der Verstärker 13 zur Stromzuführung 3, der Verstärker 14 zur Platte 4 und der Verstärker 15 zur Kühlplatte 5. Die Teile 2 bis 5- haben, wie bereits gesagt wurde, eine quadra- tische Abhängigkeit der Temperaturerhöhung vom Strom. Die Verstärker 12 bis 15 müssen daher den Strom quadratisch umformen. Wird also der Strom i zugeführt, so entsteht am Ausgang dieser Ver stärker ein Strom i2 bis i5, welcher proportional mit dem Quadrat des Eingangsstromes anwächst. Die Temperaturverhältnisse im Halbleiter 1 selbst werden entsprechend dem Verstärker 11 und dem Verstärker <B>10</B> nachgebildet.
Der Verstärker 11 entspricht der linearen Abhängigkeit der Temperatur vom Strom, das heisst sein Ausgangsstrom wächst linear mit dem Eingangsstrom (i11). Zur Berücksichtigung auch des quadratischen Gliedes kann der Verstärker 11 aus zwei parallelen Zweigen bestehen, von denen der eine linear;
der andere quadratisch verstärkt und die am Ausgang entstehenden Ströme überlagert werden. Die in den Verstärkern entstandenen einzelnen Ströme werden nun. über die Kondensator-Widerstands-Glie- der 21/31 bis 25135 geführt. Die Ströme laden die Kondensatoren mit einer der Wärme-Zeit-Konstante entsprechenden elektrischen Zeitkonstanten auf.
Da durch entstehen an den Kondensatoren die Spannun gen .ui bis u5, welche der Temperatur der einzelnen Teile des Schützlings entsprechen. Diese Spannungen kann man nun einem Relais 20 zuführen, welches so viel Wicklungen 201, 202, 204 besitzt, wie Span nungen zugeführt werden.
Es brauchen hierbei nicht alle an den Kondensatoren entstehenden Spannungen zugeführt zu werden, sondern es genügt, nur die jenigen Spannungen an das Relais zu leiten, deren entsprechende Temperaturen überwacht werden müs sen-.
Die Abbildung der übrigen Teile ist trotzdem wichtig, weil sie ja auch die Temperaturen der empfindlichen Teile beim Schützling und die Span nungen beim Abbild beeinflussen. Durch die Kupp lung der einzelnen Glieder über die Widerstände 31 bis 35 ist diese Beeinflussung auch im Modell berücksichtigt.
Statt der Wicklungen im Relais 20 können natür lich auch elektronische Schaltungen verwendet wer den. Zur gegenseitigen Trennung der Stromkreise sind die Gleichrichter 21 erforderlich.
Es muss noch die Wirkungsweise des Verstärkers 10 beschrieben werden. Dieser soll die Wirkung eines gegebenenfalls auftretenden Stromes in Sperrichtung der Halbleiter berücksichtigen. Dieser Strom entsteht erst von einer bestimmten Temperatur an und erhöht dann ebenfalls die Temperatur des Halbleiters. Um dies nachbilden zu können, wird dem Verstärker 10 die Spannung ui zugeführt, welche also der Tem peratur im Halbleiter entspricht. Aus dem Verstärker wird ein Strom iio genommen, der dem Strom ü zu gesetzt werden muss.
Sobald also ein Strom 1o in vergleichbarer Grösse mit dem Strom il entsteht, wird dadurch die Aufladung des Kondensators 21 be schleunigt. Damit der Verstärker erst von einer bestimmten Spannung an arbeitet, besitzt er eine exponentielle Kennlinie.
Ferner muss noch die Umgebungstemperatur bzw. die Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt wer den. Dies wird dadurch gemacht, dass der Nullpunkt, der an den Kondensatoren entstehenden Spannungen ui bis u5 durch eine weitere Verstärkereinrichtung 16 verschoben werden kann. Diese arbeitet propor tional einer Spannung, welche beispielsweise durch ein Thermoglied 30 erzeugt wird. Dieses Thermo- glied kann im Kühlmittel des Halbleiters unter gebracht sein. Der Verstärker ist ein Spannungsver stärker. An seinem Ausgang entsteht eine der Tem peratur proportionale Spannung.
Ist also die Tem peratur des Kühlmittels hoch, so wird auf diese Weise die Spannung an den Kondensatoren durch die Spannung am Ausgang des Verstärkers 16 er höht, so dass das Relais schon bei kleineren Werten der Spannung ui bis u5 anspricht, also wenn die Kühltemperatur niedriger wäre.
Das Relais 20 kann beispielsweise einen Kontakt besitzen, welcher einen Leistungsschalter 17 aus schaltet. Man kann aber auch eine Meldeeinrichtung damit betätigen.
Die beschriebene Anordnung ermöglicht eine sehr genaue Abbildung der Temperaturverhältnisse in elektrischen Geräten, einschliesslich der das Gerät umgebenden Konstruktionsteile. Es können die ver schiedenen Temperaturen der einzelnen Teile und ihre gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt werden. Die Anordnung kann also auch beim Auftreten zu hoher Temperaturen an jedem beliebigen Konstruktions teil arbeiten. Hierdurch erhält man den grossen wirt schaftlichen Vorteil, elektrische Geräte bis an die Grenze der Zulässigkeit ausnutzen zu können.
Durch leichte Veränderungsmöglichkeit an den Widerstän den; Verstärkern und Kondensatoren sowie der An sprechwerte des Relais ist eine weitgehende Anpas- sung an verschiedene Umgebungsverhältnisse gegeben.
Es ist natürlich möglich, die Anordnung zu ver einfachen, wenn die Bedingungen für die Temperatur überwachung nicht so scharf sind. Es würde dann genügen, höchstens drei Teile der Konstruktion eines elektrischen Gerätes nachzubilden und nur die Span nung des empfindlichsten Teils einem Relais zuzu führen.