DE2010208A1

DE2010208A1 - Selbsttätig ruckstellende Kurzzeitschutz einrichtung

Info

Publication number: DE2010208A1
Application number: DE19702010208
Authority: DE
Inventors: Louis P Buena Park Calif Baker (V St A) M
Original assignee: M&T Chemicals Inc
Current assignee: M&T Chemicals Inc
Priority date: 1969-03-07
Filing date: 1970-03-04
Publication date: 1971-02-11
Also published as: FR2034741B1; NL163385C; IT941020B; DE2010208B2; CA919251A; US3573550A; NL163385B; DE2010208C3; JPS5531707B1; FR2034741A1; GB1284964A; BE746972A; NL7003230A

Description

Htm·, 2 Q TO* 08 IM» aiundwn 23, Frailigralhstraße 19 DUBU Eisenacher Straße 17

Postfach 140 Dlpl.-I !ig. R. H. bant Pat.-Anw. BeUler

₅Ti^Br^nltpohl Dlpl.-Phyt. Eduard Betzier *«*—«»-«

⁵¹⁰¹⁴ Dipl.-Ing. W. Herrmann-Trentepohl _Jmi«,_tammanlZ"

Telegrammanschrifl: r » r Telegrammanschrift:

Bahrpatent· Harne PATENTANWÄLTE Babeüpat München Telex 08 229*53 Telex OS 24· «2 P 1 Bankkonten:

Bayrische Vereinsbank München 952287 Dresdner Bank AQ Herne 20243« Poetscheckkonto Dortmund 5H M

Β t. HRI,

η*, M 02 150 Iw/My

In der Antwort bitte angeben Zuschrift bitte nach:

Selbsttätig rückstellende Kurzzeltschutzeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf selbstätig rückstellende Kurzzeitschutzeinrichtungen wie Spannungsstoßschutzeinrichtungen und insbesondere Verbesserungen bei solchen Einrichtungen, die mit einem Gatter-gesteuerten Halbleitergleichrichter (oder Thyristor) zusammen mit Einrichtungen arbeiten, die für die selbsttätige Umschaltung oder Kommutierung des gattergesteuerten Gleichrichters sorgen, wenn der Spannungsstoß aufhört.

Viele moderne elektrische Schaltkreise, und insbesondere Schaltkreise mit Halbleitereinrichtungen, haben Arbeitsspannungen, die relativ nahe an ihren maximalen Nennspannungen liegen und solche Schaltkreise sind gewöhnlich sehr empfindlich gegen die schädlichen Einflüsse von Spannungsstößen bzw. Spannungesprüngen. Aus diesem Grund ist es schnell allgemein üblich geworden, ein Spannungsstoßschutzeinrichtungssystem entweder in die Energiequelle für den elektrischen Schaltkreis oder in den Schaltkreis selbst einzubauen.

009887/1263

Pit Charakteristiken der meisten Halbleitereinrichtungen sind derart« daß sie selbst dann beschädigt werden können, wenn sie Spannungsatoßüberspannungen sehr kurser Bauer ausgesetzt sind. Saher sprechen Überspannungeschutseinrichtungen wie Schmelzsicherungen und Kreisunterbrecher« die auf einem thermischen . Prinzip arbeiten, gewöhnlich riel zu langsam an« und man kann sich hierauf gewöhnlich nicht verlassen, um in adäquater Weise Halbleitereinrichtungen zu schützen. Sie Forderung« daJ3 das Spannungsstoßschutzsystem in der Lage sein mufi, schnell auf sehr kurze Übergangsspannungen oder Sinschaltspannungen anzuspreohen, hat zur Verwendung τοη gattergesteuerten Halbleitergleichrichtern geführt« die Einschaltzeiten in der Größenord- _ nung einiger Mikrosekunden aufweisen·

Sin gattergesteuerter Halbleitergleichrichter wird normalerweise bei einer geeigneten Schaltkreisanordnung zum Auslösen bzw. Triggern des Gleichrichters rerwendet. Sine Charakteristik eines gattergesteuerten Halbleitergleichrichters jedoch ist die« daß sie in dem "Sin¹¹- oder leitenden Zustand verbleibt, bis der Strom durch den Gleichrichter unter ein MinimumniTeau reduziert ist« welches als "der Haltestrom* bekannt ist« Es war daher bisher notwendig, eine Hilfsschaltung vorzusehen, um im wesentlichen momentan die Spannungszufuhr rom gesteuerten Gleichrichter zu trennen und den Gleichrichter auf den "Aus"- oder nichtleitenden Zustand rückzuführen, woffc bei der Übergang oder Spannungsstoß auf dem Fachgebiet als "Umschaltung oder Kommutierung" des Gleichrichters bekannt ist.

Me Kommutierung eines gattergesteuerten Halbleitergleichrichters bei einer Kurzzeitschutzeinrichtung wurde üblicherweise durch eine thermische Einrichtung« beispielsweise eine Schmelzsicherung oder einen Schaltkreisuntersrecher erreicht« der durch den gesteigerten Stromfluß durch den Gleichrichter erwärmt oder betätigt wurde. Bei rielen Anwendungsgebieten je-

009887/1263

BAÖÖRIÖiMAL

doch muß der geschützte elektrische Schaltkreis im wesentlichen kontinuierlich ait Strom unabhängig vom Vorhandensein ▼on Spannungaetöflen Tersorgt werden. Hierbei lassen Schmelz-,sicherungen, τοη Hand rückstellbare Schaltkreisunterbrecher oder zeitlich verzögerte rückstellende Schaltkreisunterbrecher einen solchen Schaltkreis über einen langen Zeitraum ohne Energie· ,,₅

Zusätzlich sind gewöhnliche Kurzzeitschutzsysteme zur Verwendung bei elektrischen Schaltkreisen gewöhnlich entweder in die Energiezufuhr oder den geschützten Kreis eingebaut. In beiden Fällen wird die Auswechselbarkeit der Energiezufuhr und des elektrischen Schaltkreises wesentlich durch mögliche Fehlanpassung der Kurxzeitcharakteristiken der verschiedenen Energiequellen und elektrischen Kreise beeinträchtigt.

Jedoch besteht seit langem auf dem Gebiet der Elektrotechnik ein Bedürfnis nach einer verbesserten Kurzzeitschutzeinrichtung mit einem gattergesteuerten Gleichrichter für ein schnelles Ansprechen auf Spannungsstöße mit kurzer Steigseit (fast rise time transients), die auch in der Lage sein sollte« den Gleichrichter selbsttätig eine kurze Zelt, nachdem der Spannungsstoß vorüber ist, zu kommutieren.

Das Bedürfnis nach einer relativ einfachen, zweckmäßigen und einfach zu installierenden Spannungsstoßschutzeinrichtung zur Erleichterung der Answechselbarkeit der verschiedenen Energiequellen und der zu schützenden elektrischen Schaltungen war also gegeben.

Erfindungsgemäß «oll nun eine selbsttätig rückstellende Schutzeinrichtung -vorgeschlagen werden.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß bei einer Einrichtung zum Schützen elektrischer Schaltkreise gegen Spannungsstöße durch

003887/1263 " ⁴ "

eine gattergesteuerte Halbleitergleichrichtereinrichtung, die ein elektrisches Vorspannungspotential liefert, welches in Reihe mit diesem gattergesteuerten Gleichrichter geschaltet ist, wenn der letztere sich in einem leitenden Zustand befindet} auch ist eine Reihenschaltung mit einem Widerstand und einem normalerweise nichtleitenden Element mit einer bestimmten Schwellenwertspannung der Leitung vorgesehen, wobei diese Reihenschaltung an die Gatterelektrode des gattergesteuerten Gleichrichters angeschlossen ist.

Nach der zur Zeit bevorzugten Ausführungsform kann die Schutzeinrichtung völlig getrennt von der Energiequelle und dem geschützten elektrischen Kreisen, mit denen sie verwendet wird, vorgesehen sein. Die Spannungsstoßschutzeinrichtung nach der Erfindung ist so ausgebildet, daß sie direkt parallel zur Verbindung zwischen einer Stromquelle oder Energiezufuhr oder dergl, und dem geschützten elektrischen Kreis gelegt werden kann.

Die Vorspannungseinrichtung, die ein elektrisches Potential in Reihe mit dem gattergesteuerten Gleichrichter erzeugt, sorgt für eine selbsttätige Kommutierung des Gleichrichters, wenn der Spannungsstoß aufhört. Nach einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Vorwärtsspannungsabgallcharakteristik einer Vielzahl von Dioden ausgenutzt, die als Diodenstrang in Reihe mit dem gattergesteuerten Gleichrichter geschaltet ist, um die Ausgangsspannung der Energiequelle an ein sicheres Spannungsniveau während eines Überspannungsstoßes "anzuklemmen" und für die Kommutierung des gattergesteuerten Gleichrichters fast unmittelbar nach der Beendigung des Spannungsstoßes hervorzurufen.

Eine Kurzzeitschutzeinrichtung nach der Erfindung kann als in sich geschlossene Einheit getrennt von der Energiequelle und dem geschützten elektrischen Schaltkreis vorgesehen sein;

009887/1263 " ⁵ ~

keinerlei gesonderte Energiequelle oder Stromzufuhr ist zur Betätigung der Vorrichtung erforderlich. Einmal installiert, kann der normale Bereitschaftsenergie- oder Stromabfluß der Schutzeinrichtung sehr klein sein. Zusätzlich kann eine Kurzzeitschutzeinrichtung nach der Erfindung mit einer Anzahl von Modifikationen erstellt werden, um deren Arbeitsweise unter gewissen spezifischen Bedingungen zu verbessern, die durch die Innencharakteristiken entweder der Energiequelle oder des geschützten elektrischen Schaltkreises diktiert werden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Pig. 1 ein Blockschaltbild gibt, wo die Kurzzeitschutzeinrichtung in eine übliche Energiequelle und eine geschützte Schaltkreisanordnung eingebaut ist;

Pig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Grundkurzzeitschutzeinrichtung nach der Erfindung;

Pig, 3 ist ein Schaltbild und zeigt das typische Verhalten eines Schaltkreises, beispielsweise des in Pig. 2, wenn die Verwendung in der Anordnung nach Pig. 1 erfolgt;

Pig. 4 bis 12 sind schematische Schaltkreisbilder von Modifikationen der Grundeinrichtung nach Pig. 2.

Nach den Zeichnungen und insbesondere nach Pig. 1 ist eine Energiequelle über ein Paar von Ausgangsleitungen 32 und 34 an einen elektrischen Schaltkreis 22 angeschlossen. Eine Kurzzeitschutzeinrichtung 24, die erfindungsgemäß aufgebaut ist, ist direkt parallel zur Verbindung zwischen der Energiequelle 20 und dem geschützten Schaltkreis 22 gelegt.

009887/1263

Die Kurzzeitschutzeinrichtung 24 ist eine in sich geschlossene Einheit mit Innencharakteristiken, die selektiv durch die besonderen Innencharakteristiken und Anforderungen an die Energiequelle 20 und den geschützten elektrischen Kreis 22 "bestimmt werden. So können verschiedene Energiequellen 20 mit unterschiedlichen Charakteristiken mit verschiedenen elektrischen Schaltkreisen 22 verwendet werden und eine besondere Kurzzeitschutzeinrichtung 24 kann ausgewählt werden, um den notwendigen Schutz für den elektrischen Kreis zu liefern.

Ein Basiskreis 26 für die erfindungsgemäß aufgebaute Kurzzeitschutzeinrichtung 24 ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Vielzahl von Dioden D^, Dp, D,, .·.· D« sind in Reihe mit einem siliciumgesteuerten Gleichrichter SCR1 zwischen positiven und negativen Klemmen 28 bzw. 30 des Schaltkreises 26 angeschlossen. Die Dioden D₁-D_n und der siliciumgesteuerte Gleichrichter SCR1 sind zur Vorwärtsleitung von der positiven Klemme 28 durch die negative Klemme 30 verbunden. Im Betrieb sind die positiven und negativen Klemmen 28, 30 des Kreises 26 an die geweiligen positiven und negativen Ausgangsleitungen 32 bzw. 34 der in Fig. 1 gezeigten Energiequelle 20 gelegt.

In Abwesenheit von Spannungsstößen befindet sich der Gleichrichter SCR1 normalerweise in seinem nichtleitenden oder "Aus"-Zustand. Um den gesteuerten Gleichrichter S0R1 zu triggern, wenn ein Spannungsstoß an den positiven und negativen Klemmen 28, 30 auftritt, ist eine Zenerdiode ZNR1 in Reihe zu den Widerständen R1 und R2 zwischen die Klemmen 28 und 30 parallel zu den Dioden D₁-D_n ^un^ clem siliciumgesteuerten Gleichrichter SCR1 gelegt. Die Zenerdiode ZNR1 ist normalerweise in Sperrichtung vorgespannt, indem ihre Kathode an die positive Klemme 28 angeschlossen ist. Die Gatterzuführung 35 des gesteuerten Gleichrichters SCR1 ist an die Verbindung zwischen den Widerständen R1 und R2 angeschlossen. Die Durchbruchspan-

009887/1263

nung ("breakover voltage) der Zenerdiode ZNR1 und die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2 sind so gewählt, daß die Zenerdiode durchbricht oder leitend wird, wenn die Spannung zwischen den positiven und negativen Klemmen 28, 30 eine bestimmte vorgewählte Schwellenwertspannung überschreitet. Wird die Zenerdiode ZNR1 leitend, so"wird die am Widerstand R2 entwickelte Spannung an das Gatter 35 des gesteuerten Gleichrichters SCR1 gelegt, wodurch der Gleichrichter in den leitenden Zustand getriggert wird.

Während die Verwendung der Reihenwiderstände R1 und R2 zu einem stabilen Triggerkreis führt, soll darauf hingewiesen werden, daß für bestimmte siliciumgesteuerte Gleichrichter es nur notwendig sein kann, einen einzigen Widerstand zu verwenden (d.h. zwischen der Zenerdiode ZNR1 und der Gatterzuführung 35 des Gleichrichters)..

Die Schwellenwertspannung, die zwischen den positiven und negativen Klemmen 28, 30 des Kreises 26 auftreten muß, bevor die Zenerdiode ZNR1 leitend wird, wird normalerweise mit einem Wert oberhalb der normalen Ausgangsspannung der Energiequelle 20, jedoch unterhalb der maximalen Spannung gewählt, die an den geschützten Schaltkreis 22 ohne Schaden angelegt werden kann.

Ist die Ausgangsspannung der Energiequelle 20 wenigstens gleich oder größer als die gewählte Schwellenwertspannung, so wird der gesteuerte Gleichrichter S0R1 in den leitenden Zustand, wie oben erwähnt, getriggert. Strom von der positiven Klemme 28 fließt über die Reihenschaltung von Dioden D,-D^ und den gesteuerten Gleichrichter SCR1 und die Spannung, die zwischen den positiven und negativen Klemmen 28, 30 auftritt, wird an die Summe der Vorwärtsspannungsabfälle der Dioden und des gesteuerten Gleichrichters angeklemmt (im folgenden als die "Klemmspannung" bezeichnet).

0098 8 7/1263

Der Spannungssprung oberhalb der Klemmspannung muß notwendigerweise als Spannungsabfall an den Innenwiderstand der Energiequelle 20 auftreten. So wird die Größe des Stroms, der durch die Dioden E-j-Ejt und den gesteuerten Gleichrichter SCR1 fließen kann, zum größten Teil durch den Innenwiderstand der Energiequelle 20 gesteuert. Die Stromarbeitscharakteristiken der Dioden ^₁-E« und der gesteuerte Gleichrichter SCR1 sollten entsprechend gewählt werden. Auf jeden Fall soll darauf hingewiesen werden, daß die zwischen den positiven und negativen Klemmen 28, 30 des Kreises 26 auftretende Spannung, wenn der gesteuerte Gleichrichter SCR1 getriggert wird, nicht wesentlich über die Klemmspaiinung steigen kann, die durch die Vorwärtsspannungsabfälle der Dioden ^-j-Bji und den gesteuerten Gleichrichter SCR1 bestimmt ist.

Eine Charakteristik des siliciumgesteuerten Gleichrichters, beispielsweise des gesteuerten Gleichrichters SCR1 ist die, daß, ist dieser einmal getriggert worden, er im leitenden Zustand verbleibt, selbst nachdem die Triggerspannung beseitigt wurde; er kehrt dann in seinen nichtleitenden Zustand nur dann zurück, wenn der Strom durch die Anoden-Kathoden-Verbindung dee siliciumgesteuerten Gleichrichters unter ein besonderes Haltestromniveau redusiert wird, !fach der besonderen Ausführungsform des in Pag, 2 gezeigten Schaltkreises 26 wird der Strom durch den gesteuerten Gleichrichter SCR1 wirksam unter den Haltestrom reduziert, indem ein Vorspannungspotential in Reihe mit dem Gleichrichter geliefert wird, welches aus der Summe der Vorwärtsspannungsabfälle der Dioden D₁-D^ besteht. Indem eine ausreichende Anzahl von Dioden D₁ -D«· gewählt wird, übersteigt das Torspannpotential an den Dioden und der Vorwärtsspannungsabfall an dem gesteuerten Gleichrichter SCR1 die normale Ausgangsspannung der Energiequelle 20. Daher nimmt, während der fallende Spannungestoß sich einem Niveau gleich dem der Summe aus den Vorwärtsepannungsabfällen an den Dioden ^₁-D_n und dem gesteuerten Gleichrichter

009887/1263 " ⁹ "

SOR1 nähert, der Strom durch die Dioden und den gesteuerten Gleichrichter ab, bis er das Haltestromniveau für den gesteuerten Gleichrichter erreicht« Der gesteuerte Gleichrichter SGE1 kommutiert dann und wird in den nichtleitenden Zustand rüekgesteilt» *

Vorzugsweise wird die Summe der Vorwärtsapannungsabfälle an den Dioden D₁-D« und dem gesteuerten Gleichrichter SCR1 oder der Klemmspannung so gewählt, daß sie geringfügig über der normalen Ausgangsspannung der Energiequell· 20 liegt. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß die Ausgangsspannung der Energiequelle 20 immer ausreichend unter die Klentspannung abfällt, damit der gesteuerte Gleichrichter SCR1 zum Koamutieren gebracht wird»

■'■■■- ' ■ " J

Die Arbeitsweise des Schaltkreises 26 für ;äie Kurzaeitsehutzeinrichtung 24 nach der Erfindung ist graphisch in Pig. 2 dargestellt, wo die Ausgangsspannung τοη der Energiequelle 20 (in durchgezogenen Linien dargestellt) als Punktion der Zeit (T) aufgetragen ist. Die normale Ausgangsspannung V₀ ist relativ konstant bis auf den überlagerten Spannungsstoß (durch die gestrichelt dargestellte Kurve angedeutet). Die Schwellenwertspannung Vm ist mit einer gestrichelten Bezugslinie oberhalb des Ausgangsspannungsniveaus V₀ angegeben und das ebenfalls gestrichelt angedeutete Klemmspannungsniveau V_A befindet sich zwischen Schwellenwertspannungsniveau Vm und dem AusgangsSpannungsniveau V_Q.

Die Ausgangsspannung ist relativ konstant bis zum Zeitpunkt t_Q, dargestellt, wo ein Spannungsstoß oder Spannungssprung angenommen wird, der sich den normalen Ausgangsspannungsniveau V₀ überlagert. Die Ausgangsspannung steigt ziemlich steil entsprechend dem Spannungssprung bzw. der Übergangsspannung an, bis die Schwellenwertspannung V₁ erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der siliciumgesteuerte Gleichrichter

009887/126 3 - 10 -

S0B1 getriggert· Sie Ausgangsspannung ist so dargestellt, daß sie gering oberhalb des Schwellenwertspannungsnireaus Υ_χ aufgrund der Tatsache ansteigt, daß eine kurze Zeit erforderlich ist, um den gesteuerten Gleichrichter SCB1 einzuschalten. Ist der gesteuerte Gleichrichter *SOBt eingeschaltet, so wird die Ausgangsspannung jedoch schnell auf KleamspannungsniYeau Y_Q etwa sum Zeitpunkt t₁ gebracht.

Sie Auegangsspannung rerbleibt dann im wesentlichen auf der Klemmspannung T_Q über den größeren feil des Bestes des Spannungsstoßes. fällt die Spannungsetoßspannung auf das KleamspannungsniTeau 7_C au eines Zeitpunkt t₂» ·ο wird der Strom durch die Sieden D^-Djj und den gesteuerten Gleichrichter w S0B1 unter den Haltestrom für den gesteuerten Gleichrichter reduziert und der gesteuerte Gleichrichter wird in seinen nichtleitenden Zustand rückgestellt· Sie Auegangsspannung fällt dann auf das normale AusgangsspannungsniTeau T₀*

Ss soll darauf hingewiesen werden, dsJ die Zeitskalen der Pig· 3 wesentlich aus Zwecken der Sareteilung übertrieben wurden, während die Spannungsskalen komprimiert wurden· So kann normalerweise die gesamte Operationsaufeinanderfolge der Kurzzeitschutzeinrichtung 24 innerhalb weniger Millisekunden abgeschlossen sein.

■fc Es soll darauf hingewiesen werden, daß die besonderen Spannungswerte für die Schwellenwert spannung T₁, die Klemmspannung V_n und die Auegangespannung V_n für den Kreis 26 durch die Charakteristiken der besonderen Komponenten im Kreis festgelegt werden· Wiederum werden diese Spannungswerte entsprechend den Einzelcharakteristiken der Energiequelle 20 und des geschützten elektrischen Kreises 22 gewählt. Weiterhin werden die Ströme, welche die Sioden Di-Ej und der siliciumgesteuerte Gleichrichter SCB1 in der Lage sein mud zu handhaben, zum Seil durch das normale AusgangsspannungsnlTeau V₀

009887/1263

- 11 -

BAD OFUGiNAU

der Energiequelle und dessen Innenwiderstand bestimmt.

Die Kurzzeitschutzeinrichtungen 24 nach der Erfindung können als Einzeleinheiten gespeist werden, die für normale Ausgangspannungsniveaus Y₀ ausgelegt sind und eine jede hat eine voreingestellte Klemmspannung V₀ und Schwellenspannungsniveaus

C ο

Vm mit einer "besonderen Fähigkeit für die Handhabung des Stroms, luv irgendeine besondere Energiequelle 20 und einen entsprechenden elektrischen Schaltkreis 22 kann die Kurzzeitschutzeinrichtung 24 einzeln gewählt und einfach parallel zu den Ausgängen der Strom- oder Energiequelle 20 gelegt sein.

Ist die Kurzzeitschutzeinrichtung 24- zur Verwendung mit einer Energiequelle mit einem normalen Ausgangsspannungsniveau V₀ von 24 V Gleichspannung ausgebildet und ist eine Sehwellenwertspannung V_n, von 28 V bei einer Klemmspannung V_nvon etwa

, i. c

27 V gewünscht, so wären typische Komponentenwerte im Schaltkreis 26 nach Fig* 2 die folgenden:

SCE1 lype 0106 (General Elektric Co.)

Dioden ^₁-Dj 2jpe IH4001 (Motoyol»)

(die erforderliehe Anzahl liegt etwa bei dreißig Dioden für einen VorwärtsSpannungsabfall zwischen 0,9 und 1,0 V für eine jede) ZM1 lype ΙΪΓ75ΟΑ (Motorola)

H1 _r (gewählt durch Untersuchen für eine besondere geforderte Schwellenwertspannung, typische Werte liegen zwischen 40 und 400 0hm) R2 1 Kilo-Ohm

Der resultierende Schaltkreis wird auf 1 A kontinuierlichen Stroms und 10 A bei spitzen Stoßströmen bemessen^ E_s soll darauf hingewiesen werden, dafi die gegebenen Komponentenwerte in

0 09887/1263

- 12 -

beachtlicher Weise modifiziert werden können, um sich an die besonderen Bedingungen anzupassen»

Während der Schaltkreis 26 so beschrieben wurde, daß er als Spannungeitoßunterdrücker für eine Energiequelle 20 dient, soll darauf hingewiesen werden, daß die Kurzzeitschutzeinrichtung 24 nach der Erfindung mit irgendeiner allgemeinen Spannungsquelle verwendet werden kann, die an den geschützten elektrischen Schaltkreis 22 angeschlossen ist. So kann der Kurzzeitschutz an Signaleingangsleitungen oder dergl· verwendet werden, wenn die Komponentenwerte des Schaltkreises 26 richtig gewählt sind.

™ Um eine gewisse Vielfalt bei der Auswahl der Schwellenwertepannung Y^ zu liefern, kann der Schaltkreis 36 nach Pig. verwendet werden. Beim Schaltkreis 36 nach Fig. 4 ist der fe- «te Widerstand R1 nach Fig. 2 ersetzt durch einen variablen Wideretand E3. In jeder Hinsicht ist der Schaltkreis 36 nach 4 gleich dem Schaltkreis 26 nach Pig. 2.

Da die SohwLlenwertspannung V^ bestimmt wird durch die Durchbruchsepannung der Zenerdiode ZNR1 (breakdown voltage) und die Widerstandewerte der Reihenwiderstände R2 und R3, wie oben diskutiert, kann die Schwellenwertspannung variiert werden, indem der Widerstandwert des Widerstands R3 variiert wird Her Widerstand H3 kann so gewählt werden, daß er einen Widerstandsbereich ähnlich dem Bereich der Widerstandswerte ergibt, die für den Widerstand R1 gewählt wurden, wie oben diskutiert. für den oben beschriebenen, dargestellten Schaltkreis kann der Widerstand R3 typisch durch ein 500 Ohm-Potentiaaeter gegeben sein.

Ss hat sich herausgestellt, daß für bestimmte Anwendungsfälle es wünschenswert ist, die Dioden ^₁-D_n und den gesteuerten Gleichrichter SCR1 direkt an die Energiequelle zu legen, den

009887/1283 - 13 -

201020?

Spannungsstoß jedoch an entfernter Stelle zu ermitteln, "beispielsweise als den Ausgang von einem Spannungsregler. Fttr diese Anwendungsfälle kann ein Schaltkräis 38, wie in Pig. 5 dargestellt. Verwendung finden. Arbeitsweise und Komponententeile sind die gleichen wie beim Basisstromkreis 26 der Fig.2* der gesteuerte GleichrichterS0R1 wird jedoch nur dann getriggert, wenn die zwischen der Fernmeßklemme 4Ö und der negativen Klemme 30 des Schaltkreises 33 auftretende Spannung das SchwellenwertSpannungsniveau T^ erreicht.

Während die Einschaltzeit eines siliciumgesteuerten Gleichrichters, beispielsweise des Gleichrichters SGR1,, gewöhnlich kurz ist, können die Einschaltzeiten der Dioden D-,*-D„ in einigen Fällen beachtlich länger sein. Für Stöße mit sehr kurzer Steigzeit in der Nahe von 1000 V/sec kann der siliciumgesteuerte Gleichrichter SCE1 mit dem Einschalten beginnen, der Kurzzeitschutzeffekt des Kreises 26 der Fig. 2 wird aber erst dann wirksam, wenn die Dioden D..-D„ auch leitend werden. Für Stöße mit schneller Steigzeit kann die Spannungsstoßspannung auf ein Niveau wesentlich höher als das Schwellenwertspannungsniveau Ym steigen, bevor die. Dioden D^-D« leitend werden* Da hierdurch der Zweck der Kurzzeitschutzeinrichtung 24 in Fortfall käme, können bei Anwendungsfallen, wo sehr schnelle Kurzzeitstöße auftreten, Schaltkreise wie der Schaltkreis 42 nach Fig. 6 verwendet werden,

leim Schaltkreis 42 ist in Kondensator G1 parallel zu den Dioden D₁-D_n gelegt. !Dritt ein Stoß mit kurzer Steigzeit zwischen den positiven und negativen Klemmen 28, 30 auf und wird der siliciumgesteuerte Gleichrichter SCR1 eingeschaltet, so erscheint der Widerstand 01 im wesentlichen zwischen der positiven Klemme 28 und der Anode des gesteuerten Gleichrichterie kurzgeschlossen. Das heißt, die Ausgangsspannung V_Q und der Spannungsstoß können im wesentlichen momentan durch den gesteuerten Gleichrichter SCH1 kurzgeschlossen sein, bis die Dioden D^-Djr leitend werden.

009887/1263 - H -

- 14 -

Die Hinzufügung de· Kondensator· 01 sorgt auoh für eine gesteigerte Kommutierung de· silioiumgesteuerten Gleichrichters SOHL Be soll darauf hingewiesen werden» dafl, wenn die Spannungsstoeepannung auf die Klemmspannung Y_Q abfällt, die Dioden D₁-Dj und der silioiumgesteuerte Gleichrichter SOR1 mit ,den Abschalten beginnen* Ohne den Kondensator 01 würde die Spannung an den Dioden Df-D« schnell auf im wesentlichen den Wert Voll abfallen. Da jedoch die Dioden D₁-D₉ nichtleitend werden, fehlt den Kondensator 01 4er Bntladeweg und die an Kondensator verbleibende Spannung spannt den siliciumgesteuerten Gleichrichter S0E1 wirksam in Gegenrichtung während der Absehaltieit vor, was zu einer gesteigerten Kommutierung führt.

Zur Brgänzung der oben mit Bezug auf die Schaltkreise 26 und 36 gegebenen Sohaltkreiswerte kann der Kondensator 01 im Schaltkreis 42 der Fig. 6 typisch einen Wert τοη 50 Mikrofarad bei 50 T lennspannung aufweisen·

Für Anwendungefälle mit einer relatir hohen Ausgangsspannung T₀ Ton der Energiequelle 20 kann die physikalische GtoQe des gebrauchten Kondensators 01 zur im wesentlichen sofortigen Handhabung des Kurzschlusses zu groß und zu teuer sein. Pur solche Fälle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen anderen Schaltkreis, nämlich den Schaltkreis 44 nach Fig. 7, zu verwenden. Beim Schaltkreis 44 ist ein Kondensator 02 zwischen die Kathode der Diode Dy und eine gewisse Zwischenverbindung zwischen einem benachbarten Paar ,von Dioden angeschlossen» Die Spannungsteilerwirkung der in Reihe geschalteten Dioden D^-D^ führt dazu, daß eine niedrigere Spannung an den Kondensator 02 gelegt wird« so daß dessen geforderte lennspannungen und Hennströme gesenkt werden können und seine physikalischen Abmessungen vermindert werden können. Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß der Schaltkreis 44 nicht brauchbar ist, um einen Stoß mit kurzer Steigzeit zu kompensieren, jedoch brauchbar ist für weniger kritische Anwen-

009887/1263 " ¹⁵ "

dungsfälle, wo es tor allem auf die physikalische Größe ankommt. ,

Sowohl für den Schaltkreie 42 wie 44 (Fig. 6 und 7) wird, wenn die Kondensatoren 01 oder 02 auf ein Spannungsniveau im wesentlichen gleich der Summe der Vorwärtsspannungsabfälle der besonderen Dioden, an die der Kondensator angeschlossen ist, der Kondensator dann gegen eine weitere Entladung blok-r kiert. Während bei rielen inwendungsfällen die Restspannung keinerlei Konsequenz hat, ist es für gewisse kritische An- wendungafalle äußerst wünschenswert, daß die Spannung an den Kondensatoren G1 oder 02 auf Null vermindert wird, nachdem ι die Kurzzeitachutzeinrichtung 24 ihren Arbeitszyklus abgeschlossen hat. Hierzu kann ein in Fig. 8 dargestellter Schaltkreis 46 Verwendung finden.

Der Schaltkreis 46 nach Pig. θ umfaßt einen Ableitungswiderstand R4 parallel zvm Widerstand Cl (oder 02, wenn die Anordnung nach Pig. 7 modifiziert werden soll). Der Kondensator 01 hat daher einen zusätzlichen Entladeweg durch den Widerstand R4, so daß die Spannung am Kondensator CI im wesentlichen auf Null entladen werden kann, nachdem der Stoß aufgehört hat. Ein typischer Wert für den Ableitungewiderstand R4 im dargestellten, beschriebenen Schaltkreis würde etwa 500 Kilo-Ohm betragen. j|

Ein bekanntes Phänomen der Wirkung eines silieiumgesteuerten Gleichrichters besteht darin, daß der gesteuerte Gleichrichter eingeschaltet wird, wenn die Größe der Spannungsänderung, bezogen auf die Zeit, an dem Anoden-Kathoden-tibergang einen bestimmten Wert überschreitet. Unter diesen Bedingungen wird der siiiciumgesteuerte Gleichrichter in Abwesenheit einer !Driggerspannung und trotz der Tatsache eingeschaltet, daß die an den Anoden/Kathoden-Übergang gelegte Maximalspannung klei-' ner als die Nennspitzenspannung des Gleichrichters ist.

009887/126 3 - 16 -

- 16 -

Pur gewöhnliche Operationen kann dieses Phänomen ignoriert werden» da die gewöhnlich auftretenden Spannungsstöße sich nicht dem lennspannungsanstieg nähern, der erforderlich ist, um den siliciumgesteuerten Gleichrichter anzuschalten. Bei manchen Anwendungsfällen jedoch, kann die Größe des Spannungsanstiegs der auftretenden Stöße den bemessenen Wert des siliciumgesteuerten Gleichrichters SCE1 überschreiten, der im Basiskreis 26 nach Fig. 2 eingesetzt ist. Treten solche Stöße auf, so könnte der siliciumgesteuerte Gleichrichter SCH1 eingeschaltet werden, obwohl der Stoß auf die Ausgangsspannung 7 der Energiequelle 20 nicht die Schwellenwertspannung Y~ erreicht, die normalerweise erforderlich ist, um den Gleichrichter zu triggem.

Wenn solch ein spontanes !Triggern des siliciumgesteuerten Gleichrichters SCB1 unerwünscht ist, kann ein Schaltkreis 48, wie er in Fig· 9 dargestellt ist, verwendet werden, um den Gleichrichter daran zu hindern, durch solche Stöße mit kurzer Steigseit getriggert oder ausgelöst zu werden.

Der Schaltkreis 48 nach Fig. 9 umfaßt einen Kondensator C4, der Ton der Anode zur Kathode des siliciumgesteuerten Gleichrichters SCH gelegt, ist. Der Kondensator C4 hindert die an der Verbindung zwischen Anode und Kathode herrschende Spannung des siliciumgesteuerten Gleichrichters SCSI daran, sich schnell genug zu ändern, ua den Gleichrichter einzuschalten. Sin typischer Wert für den Kondensator C4 für den beschriebenen, oben dargestellten Kreis würde etwa 0,1 Mikrofarad bei 50 T Vennspannung aufweisen. Der Kondensator C4 müßte vorzugsweise für Arbeiten bei hohen Frequenzen ausgelegt sein.

Wenn der in Fig. 2 gezeigte Basiskreis 26 bei einer Energiequelle 20 und einem geschützten elektrischen Kreis 22 verwendet werden soll, bei dem die an der Ausgangsspannung V auftretenden Stöße dazu neigen, eine ziemlich schnelle Steig-

009887/1263 - 17 -

zeit zu haben, so kann es wünschenswert sein, noch einen weiteren Kreis 50 zu verwenden, der in Pig. 10 dargestellt iat. DerSchaltkreis 50 nach fig. 10 uafaßt den Kondensator C1, der parallel zu den Dioden D₁-D_n wie heia Schaltkreis 42 der PigV 6 gelegt ist, um die Einsehaltzeit am siliciumgesteuer- * ten Gleichrichter SCE1 zuaamaien mit dem Kondensator C4 zu Termindern, genauso wie beim Schaltkreis 48 der Pig· 9, wobei die Parallelschaltung zur Anoden/Kathoden-Verbindung des gesteuerten Gleichrichters eriolgt, uns zu Terhindern, daft der Gleichrichter durch sehr schnelle Steigzeitstöße getriggert wird, die nicht über das SchwellenWertspannungsniveau Tj steigen· ~~^: - '■■■■;■■" ■■' -■■ : -. - -_: -.-..·.. -^:

Es soll darauf hingewiesen werden, daß» während ein· Zahl To_n Variationen beschrieben und in Verbindung mit dem zugrundeliegenden Stoßschutzkreis 26 nach Pig. 2 beschrieben wurde, beliebige Änderungen gleichzeitig angebracht werden können, und zwar abhängig iron den besonderen Stoß- bzw« Spannungsatoßcharakteristiken der Energiequelle 20 und dem geschützten elektrischen Kreis 22, bei dem die Stoßschutzeinrichtung 24 rerwendetwerden soll.

Die Kurzzeitschutzeinrichtung 24 der Erfindung kann auch bei Wechselströmen verwendet werden, indem der Basiskreis 26 nach Pig. 2 in einen Vollwegdiodenbrückenkreis 52 eingeschaltet μ wird, wie in Pig. 11 dargestellt, wobei Brückendioden D., Dg, D₀ und Dg verwendet werden. Die Arbeitsweise des Saiiskrelsea 26 ist wie oben mit Bezug auf Pig. 2 beschrieben, der Kreis 52 ist jedoch bei jedem Halbwellenzyklue der Wechselspannung operativ.

Pur den dargestellten Kreis in Pig. 11 verbleiben die Komponentenwerte des Baaiskreises 46 die gleichen und die Brückendioden des Vollwegbrückenkreisea 52 werden typischerweise τοη den Type IV4001-Dioden gewählt, die von Motorola hergestellt werden. ^Λ

' - 18 -

009887/1263

SIn eedifizierter Kreis 54 für eint Kurzzeitschutzrorrichtung 24 sux Terwendung bei Weehselstroaenergiequellen 20 ist in Fig. 12 dargestellt. In den Schaltkreis 54 sind zwei Richtungs-Halbleitereinrichtungen. eingebaut, die analog dem aiii« ciuagesteuerten Gleichrichter und der Ztnerdiode sind, welche 'in den Gleichstromkreisen nach Pig« 2 und 4 bis 10 gezeigten sind· Bin Zveirichtungstrieden-Thyrietor THIAC1 wird für den slliciumgeateuerten Gleichrichter SCR1 des Basiakreises 26 nach Pig. 2 substituiert und eine Zweirlchtungsdurchbruchsdiode SB₁ wird für die Zenerdiode ZNH1 des Basiskreises substituiert· Die Diode SB* liegt in einer Reihenschaltung Bit den Widerständen H5 und B6» um das Triggersignal an die Gatterelektrode des Zwelrlehtungstrloden-Ihyristors TRIAC1 zu legen. Bins zweite Zweiriohtungsdurchbruchdiode DB₂ oder ein Strang solcher Zweirichtungsdioden ersetzt die Reihe τοη Dioden D^ bis TL· des Basiskreises 26.

Die Arbeitsweise des modifizierten Kreises 54 der Pig· 12 ist ähnlioh der Arbeitsweise des Basiskreises 26 der Pig, 2, tie Spannung an den Klemmen 56» 58 des Sehaltkreises kann aber τοη der einen oder anderen Polarität sein.

Bs wurden zwar besondere Ausführungsforaen der Kurzzeltschutzeinrichtung 24 nach der Erfindung erläutert und beschrieben; es soll jedoch darauf hingewiesen werden, da& Terschiedene zusätzliche Modifikationen Ib Rahmen der Erfindung rorgenomaen werden können· *

Patentansprüche t

009887/1263

- 19 -

BAD ORIGINAL

Claims

- 19 — . Patentansprüche

Ί.) Vorrichtung zum Schutz elektrischer Schaltkreise gegen Spannungsatöfie mit einem gattergesteuerten Halbleitergleieh-• richter, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (D₁ .,. Djj) zur Schaffung eines elektrischen Vorspannungspotentiale in Reihe mit dem gattergesteuerten Gleichrichter (SCRI) und einem Widerstand (R2) gelegt sind und daß ein. normalerweise nichtleitendes Element (ZNR1) mit einer vorbestimmten Schwellenwertspannung, bei der Leitung eintritt, eine Reihenschaltung parallel zu dieser Vorspannungseinrichtung und dem gattergesteuerten Gleichrichter bildet, wobei die Reihenschaltung mit der Gatterelektrode (35) des gattergesteuerten Gleichrichters verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein siliciumgesteuerter Gleichrichter mit seiner Anoden/Kathoden-Leitungsbahn in Reihe zu einer Vielzahl von Dioden und einer Reihenschaltung mit einem Widerstand gelegt ist und daß dine Einrichtungsabbruchdiode vorgesehen ist, wobei die Reihenschaltung mit der Gatterelektrode des siliciumgesteuerten Gleichrichters verbunden ist·
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -

ζ e i c h net, daß diese Reihenschaltung eine vorbestimmte Schwellenwertspannung, bei der leitung auftritt, aufweist, daß der silie'iumgesteuerte Gleichrichter getriggert wird, wenn die Reihenschaltung leitend wird, und daß die Summe der Werte der Vorwärtsspannungsabfälle über diese Vielzahl von Dioden und diesen siliciumgesteuerten Gleichrichter im wesentlichen gleich oder niedriger als diese Schwellenwertspannung ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -

Z e i c h η e t , daß die Größe des Widerstandswertes selektiv variabel ist.

009887/1263 - 20 -
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet , daß ein Kondensator (01) parallel zu der Vielzahl in Eeihen geechalteter Dioden gelegt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kondensator (C2) zwischen einen der Übergänge oder Verbindungen geschaltet ist, die diese Vielzahl von Dioden und den gattergesteuerten Gleichrichter verbindet, und eine andere dieser Verbindungen oder Übergänge angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch W gekennzeichnet, daß ein parallelgeschalteter Kondensator (C1) und ein Widerstand (R4) zwischen einem der diese Vielzahl von Dioden verbindenden Anschlüsse und diesen gattergesteuerten Gleichrichter sowie einen anderen dieser Anschlüsse gelegt sind. ·
8# Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kondensator (C4) parallel zur Anodtn/Kathoden-Verbindung des siliciumgesteuerten Gleichrichters gelegt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η _ zeichnet, daß ein. erster Kondensator (C1) parallel ™ zu dieser Vielzahl von Dioden gelegt ist und ein zweiter Kondensator (C4) parallel zu der Anoden/Kathoden-Verbindung des eiliciumgesteuerten Gleichrichters geschaltet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9_f dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kondensator zwischen eine der diese Vielzahl von Dioden und diesen siliciumgesteuerten Gleichrichter anschließenden Verbindungen und eine andere dieser Verbindungen gelegt ist.

- 21 009887/1263
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g β lc β η η zeichnet, daß die Vorspannungseinrichtung aus wenigstens einer Zweirichtungsabbruchdiode (DB₂) besteht, die in Reihe mit einem Zweirichtungstrioden-Thyristor (TRIAC1) gelegt ist, wobei der Thyristor eine Gatterelektrode und einen* Reihenkreis mit einem Widerstand (R1) und eine Zweirichtungsdurchbruchdiode (DB₁) aufweist, und die Reihenschaltung an diese Gatterelektrode angeschlossen ist.
12. Vorrichtung zum Schutz elektrischer Schaltkreise gegen Spannungsstöße oder Stoßspannungen, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Ausgangsklemmen einer Vollweg-Gleichrichterbrtioke (52) an oder parallel zur Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gelegt sind.

00 9 887/1263