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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.