DE2253423C3 - Festkörper-Relaisschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Re-Iaisschaltung mit zwei in Reihe mit einer Last und in Reihe mit einer Wechselspannungs-Leistungsquelle verbindbaren Leistungsanschlüssen, mit in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelementen mit einer Steuerelektrode und zwei Hauptelektroden, die jeweils mit den beiden Leistungsanschlüssen verbunden sind, mit einer ein optisch betätigbares Element aufweisenden Steuerschaltung für die in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelemente, mit einer Einphasen-Vollwegbrückengleichrichterschaltung, deren Wechselspannungsanschlüsse mit den Leistungsanschlüssen verbunden sind, mit Impedanzelementen, die zumindest in einen der Zweige der Brückenschaltung eingeschaltet sind und mit einem steuerbaren Schaltelement mit einem mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbundenen Steueranschluß und zwei mit den Gleichspannungsanschlüssen der Brückenschaltung verbundenen Hauptanschlüssen, wobei das Signal an den Impedanzelementen an die Steuerelektroden der in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelemente derart angekoppelt ist, daß diese in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des steuerbaren Schaltelementes leitfähig werden.

Eine derartige Festkörper-Relaisschaltung ist bereits bekannt (US-Patentschrift 33 28 606). Bei dieser bekannten Fcstkörper-Relaissschaltung ermöglicht jedoch kein Schalten der steuerbaren Halbleiterelemente beim Nulldurchgang der Betriebsspannung, was wünschenswert wäre, damit die Relaisschaltung nicht durch den Leistungsfaktor der Last beeinflußt wird und damit Hochfrequenzstörungen vermieden werden. Weiterhin ist ein derartiges Schalten beim Nulldurchgang der Betriebsspannung wünschenswert, weil in diesem Fall die Stroinanstiegsgeschwindigkeit durch die Last und in den steuerbaren Halbleiterelementen begrenzt wird.

Es sind weiterhin Halbleiler-Relaisschaltungen bekannt (deutsche Palentschrift 12 86 556), bei denen das Schalten beim Nulldurchgang der an den Leistungsanschliissen anliegenden Spannung erfolgt. Dieses Schalten erfolgt jedoch mit Hilfe einer Phasenverschiebung

der Steuerspannung gegenüber der Betriebsspannung und damit zu festen Zeitpunkten bezogen auf den Spannungsverlauf der Betriebsspannung. Eine zusätzliche Steuerung dieser bekannten Ftstkörper-Relaisschaltung mit Hilfe einer Steuerschaltung beispielsweise mit einem optisch betätigbaren Element ist daher nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Festkörper-Relaisschaltung der eingangs genannten Art zu schaflen, die trotz einei äußeren Steuermöglichkeit über optische Steuerelemente ein Schalten der steuerbaren Halbleiterelemente beim Nulldurchgang der Betriebsspannung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung ihre Betriebsspannung an den Gleichspannungsanschlüssen der Brückenschaltung entnimmt und erste, zweite und dritte parallele und zwischen den Gleichspannungsanschlüssen angeschaltete Kreise umfaßt, daß der erste Kreis eine erste Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator umfaßt, die in Reihe mit dem optisch betätigbaren Element geschaltet ist, daß der zweite Kreis eine zweite Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator einschließt, die mit der Kollektor-Emitterstrecke eines dritten Transistors in Reihe geschaltet ist, daß der dritte Kreis einen Spannungsteiler und einen /weiten Transistor umfaßt, daß der Kollektor-Emitterkreis des zweiten Transistors zwischen der Steuerelektrode des steuerbare,! Halbleiterelementes und einem der Gleichspannungsan-Schlüsse angeschaltet ist, daß das optisch betätigbare Element zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode des ersten Transistors angeschaltet ist, daß der Kollektor des ersten Transistors mit der Steuerelektrode des steuerbaren Schaltelementes verbunden ist und daß eine optische Generatoreinrichtung optisch mit dem optisch betätigbaren Schaltelement verbunden ist und erste und zweite Anschlüsse zum Empfang von Eingangssignalen für den Betrieb der Relaisschaltung aufweist.

Durch diese Ausgestaltung der Festkörper-Relaisschaltung ist trotz der äußeren Steuerung durch optische Generatoreinrichtungen ein Schalten der steuerbaren Halbleiterelemente beim Nulldurchgang der Betriebsspannung möglich, so daß die Festkörper-Relaisschaltung nicht durch den Leistungsfaktor der Last beeinflußt wird und keine Hochfrequenzstörungen auftreten. Weiterhin wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit in den steuerbaren Halbleiterelementen begrenzt, so daß die Festkörper-Relaisschaltung sehr kompakt aufgebaut werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das steuerbare Schaltelement ein Thyristor.

Die in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleitereleniente sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zwei entgegengesetzt eingeschaltete Thyristoren.

Weiterhin ist es möglich, daß die in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelemente durch einen Triac gebildet sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Feslkörper-Relaisschaltung in Verbindung mit einer Last und Thyristoren, die zur Ansteuerung der Last zu triggern sind,

F i e. 2 ein ausführliches Schaltbild einer Ausführungsform der Festkorper-Relaisschaltung,

F i g. 3 eine der F i g. 1 ähnliche Ausführungsform der Festkörper-Relaisschaltung, bei der das in den leitfähigen Zustand zu triggernde Halbleiterelement ein Triac ist.

In F i g. 1 ist eine Ausführungsform der Festkorper-Relaisschaltung dargestellt, die vier Anschlüsse 10, 11, 12 und 13 umfaßt. Die Anschlüsse 10 und 11 sind Leistungsanschlüsse, die über eine Last 14 mit einer Wechselspannungs-Leistungsquelle, beispielsweise einer üblichen I15-Volt/60-Hz-Quelle verbunden sind. Die Last 14 ist eine Last, die beim »Schließen« der Relaisschaltung eingeschaltet werden soll. Die beiden anderen Anschlüsse 12 und 13 der Relaisschaltung sind mit einem optischen Signalgenerator 15 verbunden, der bei Erregung der Anschlüsse 12 und 13 einen Lichtstrahl erzeugt, der schematisch durch die gestrichelte Linie 16 dargestellt ist. Alle Bauteile der Relaisschaltung unter Einschluß der Anschlüsse 10 bis 13 können auf einem gemeinsamen Gehäuseaufbau befestigt sein.

Die Anschlüsse 10 und 11 sind mit den Wechselspannungsanschlüssen einer Brückenschaltung verbunden, die durch die Dioden 17, 18, 19 und 20 gebildet ist. Die die Dioden 19 und 20 enthaltenden Brückenzweige enthal'en außerdem Serienwiderstände 21 und 22. Der Verbindungspunkt zwischen der Kathode der Diode 19 und dem Widerstand 21 ist mit der Torsteuerelektrode eines Thyristors 23 verbunden, der zwischen den Anschlüssen 10 und 11 angeschlossen ist. In ähnlicher Weise ist der Verbindungspunkt zwischen der Kathode der Diode 20 und dem Widerstand 22 mit der Torsteuerelektrode des Thyristors 24 verbunden, der antiparallel zum Thyristor 23 und ebenfalls zwischen den Anschlüssen 10 und 11 angeschaltet ist.

Ein Steuerthyristor 25 ist zwischen den Gleichspannungsanschlüssen der Brückenschaltung angeschaltet und die Torsteuerelektrode des Steuerthyristors 25 wird durch eine Steuerschaltung 26 angesteuert, die ebenfalls von den Gleichspannungsanschlüssen der Brückenschaltung mit Leistung versorgt wird. Die Steuerschaltung 26 spricht ihrerseits auf ein optisches Signal an, so daß sie in Abhängigkeit von dem Empfang einer optischen Strahlung 16 von dem Generator 15 oder in Abhängigkeit von irgendeiner bestimmten, auf diesen Lichtstrahl 16 aufgeprägten Charakteristik erregbar ist.

Wie es weiter unten in Verbindung mit F i g. 2 zu erkennen ist, ist die Steuerschaltung weiterhin so aufgebaut, daß der Thyristor 25 nur dann gezündet werden kann, wenn die momentane Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 angenähert gleich Null ist, so daß die Erzeugung von Hochfrequenzstörungen vermieden wird, die auftreten würde, wenn die Thyristoren 23 und 24 bei irgendeiner erheblichen Spannung zünden würden. Weiterhin ergibt die Verwendung eines optischen Verbindungsgliedes 16 zur Erregung oder Einschaltung der Steuerschaltung eine verbesserte elektrische Trennung, verglichen beispielsweise mit Trenntransformatoren sowie eine echte Gleichspannungstrennung von dem Generator 15 bei relativ niedrigen Kosten. Weiterhin ist zu erkennen, daß die Schaltung auf Grund ihres vollständigen Aufbaues aus Festkörperelementen eine lange Lebensdauer, eine gute Signalempfindlichkeit und eine Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Schwingungen, verglichen mn beispielsweise einem Reed-Relais aufweist. Auf Grund der Verwendung der neuartigen optischen Trennschaltung ist es außerdem verständlich, daß das Relais nach F i g. 1 direkt mit digitalen Transislorlogik-Signalpegeln

kompnlibel ist.

Die Steuerschaltung 26 ist ausführlicher in Fig. 2 gezeigt, wobei der übrige Teil der Schaltung nach Fig. 1 aus Vereinfachungsgrühden umgezeichnet wurde. Die Steuerschaltung 26 umfaßt drei Transistoren 30, 31 und 32, von denen der Transistor 30 ein Phototransistor ist, der bei Empfang eines gewissen optischen Eingangs-Strahlungssignals leitend wird, wobei dieses Strahlungssignal schematisch als Eingangs-Lichtsignal 33 dargestellt ist. Dieses Eingangs-Lichtsignal 33 kann beispielsweise durch eine lichtemittierende Diode 34 erzeugt werden, die zusammen mit einem Strombegrenzcrwiderstand 35 zwischen den Anschlüssen 12 und Π angeschaltet ist. Die lichtemittierende Diode 34 könnte selbstverständlich durch andere lichterzeugende F-Iementc ersetzt werden, und zwar unter Einschluß von Glühlampen, Neonlampen, mit einem Verschluß versehenen Lichtquellen u. ä. In gleicher Weise ist es im folgenden deutlicher zu erkennen, daß der Phototransistor JO durch andere Elemente, wie beispielsweise eine Photodiode oder einen Photowiderstand, ersetzt werden könnte.

Der Kollektor des Transistors 30 ist mit der Basis des Transistors 31 und außerdem mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand 40 und einem Kondensator 41 in Reihe geschaltet. Der Transistor 31 ist mit einer Parallelschaltung aus einem Widerstand 42 und einem Kondensator 43 in Reihe geschaltet und der Kollektor des Transistors 3t ist mit der Torsteuereleklrode des Steuerthyristors 25 verbunden. Zusätzlich ist der Kollektor des Transistors 31 mit dem Kollektor des Transistors 32 verbunden, während die Basis des Transistors 32 mit dem Mittelpunkt eines Widerstands-Spannungsteilers verbunden ist, der aus den Widerständen 44 und 45 besteht.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist folgende:

Im offenen Relaiszustand ist kein optisches Signal von dem optischen Generator vorhanden, der die lichtemit tierende Diode 34 sowie den photoempfindlichen Transistor 30 einschließt. Entsprechend wird ein Strom bei abwechselnden Halbperioden durch die Dioden 18 und 17 über die Widerstände 40 und den Kondensator 41 an die Basis des Transistors 31 geleitet, wodurch der Transistor 31 leitet. Durch den leitfähigen Zustand des Transistors 31 wird die Torsteuerelektrode 25 spannungsmäßig mit dessen Kathode verbunden, um eine Zündung des Thyristors 25 zu verhindern.

Entsprechend weisen die Thyristoren 23 und 24 eine hohe Impedanz auf und es ergibt sich kein Stromfluß an die Last 14.

Es sei bemerkt, daß die gesamte für den Betrieb der Steuerschaltung 26 abgeleitete Spannung zwischen den positiven und negativen Anschlüssen der Briickenschaltung abgeleitet wird.

Wenn ein Signalstrom durch die lichtemittierende Diode 34 fließt, so wird dem Transistor 30 eine optische Strahlung 33 zugeführt, wodurch dessen Leitfähigkeit vergrößert wird. Der leitfähige Zustand des Transistors 30 bewirkt eine Verbindung der Basis des Transistors 31 mit dessen Emitter, wodurch weiterhin der Strom von dem Widerstand 40 und dem Kondensator 41 durch den Kollektor-Emitterkreis des Transistors 30 nebengeschlossen wird und nicht mehr durch den Basiskreis des Transistors 31 fließt. Der Transistor 31 ist dann gesperrt. so daß. wenn der Transistor 32 ebenfalls gesperrt ist. ein Zündsignal an den Steuerthyristor 25 angelegt werden kann.

Entsprechend einem Grundgedanken der Erfindung sowie zur Erzielung eines Zündens beim Nulldui'chgarijj wird der Transistoren jedoch durch die Zuführungeinl! ausreichenden'Basissignals von dem die Widerstände 4^ Und 45 einschließenden Spannungsteiler in einen leitfähigen Zustand gehalten, wenn die momentane Spannung an den Anschlüssen 10 und 11 relativ hoch isl Hierdurch werden Zündsignale zu dieser Zeil durch'dej' leitenden Transistor-·*??' nebengeschlossen; Wenn jedoch' die Netzspannung Vaüf einen Wert ^absinkt', de) ausreichend ist. um die Basisspannung am Transistor 32 so weit zu vcrringen, daß der Transistor 32 gesperrt wird, so ist nunmehr der Zustand gegeben, daß beide Transistoren 31 und 32 gesperrt sind (einen relativ hohen Impedanzwerl aufweisen), so daß der Steuerthyristor 25 durch das Torsteuer-Kathodensignal längs dieser Thyristoren gezündet wird.

Der leitfähige Zustand des Steuerthyristors 25 erzeugt dann einen Spannungsanstieg an einem der Widerstände 21 oder 22. und zwar in Abhängigkeit davon, welche Halbschwingung der Wechselspannungsquelle zu dem Zeitpunkt positiv ist, zu dem das Zündsignal von der Schaltung empfangen wird. Somit wird einer der Thyristoren 23 bzw. 24 bei einer Spannung von ungefähr 0 V an den Anschlüssen 10 und 11 gezündet, so daß die Last 14 von der l.eislungsquelle erregt wird.

Es sei bemerkt, daß während des leitfähigen Zustandes der Thyristoren 23 und 24 die Spannung längs der Brückenanschlüsse und somit die in den Steuerbauteilen verbrauchte Leistung für den übrigen Teil der Halbperiode von der Steuerschaltung abgetrennt ist. Weiterhin ist es verständlich, daß die Kondensatoren 41 und 43 den Fluß eines starken Stromes ermöglichen, wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen 10 und 11 durch Null hindurchläufl, so daß der Steuerthyristor 25 mit einem minimalen Verlust an Phasenwinkel zu einem frühen Zeitpunkt in der Periode torgesteuert werden kann.

Die Widerstände 44 und 45 arbeiten mit dem Transistor 32 zusammen, um die Schaltung dazu zu bringen, daß sie lediglich beim Nulldurchgangspunkt eingeschaltet ist. so daß Hochfrequenzstörungen beseitigt und die Stromänderungsgeschwindigkeit durch die Last 14 und die Ausgangsthyristoren 23 und 24 begrenzt werden. So ist bei Vorhandensein einer erheblichen Spannung längs der Anschlüsse 10 und 11 die Basis des Transistors 32 gesättigt, so daß die Torsteuerelektrode des Steuerthyristors 25 auf dem Potential seiner Kathode gehalten wird, um seine Zündung in jedem anderen Punkt außer innerhalb des schmalen »Fensters« in der Nähe des Betriebsspannungspunktes mit einer Spannung von Null jeder Periode zu verhindern. Es ist verständlich, daß die Widerstände 21 und 22 eine Ableitung kleiner Ruheströme bewirken, die durch die Zündschaltungselemente um die Ausgangs-Halbleiterelemente 23 und 24 herumfließen.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausgangs-Halbleiterelemente 23 und 24 durch ein bidirektionales Triac-Element 50 ersetzt sind. Alle anderen Schaltungselemente in Fig. 3, die denen nach Fi g. 2 ähnlich sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Somit besteht die wesentliche Abänderung der Schaltung nach F i g. 3 verglichen mit der Schaltung nach F i g. 2 darin, daß der Triac 50 die Thyristoren 23 und 24 ersetzt, und daß weiterhin lediglich eine einzige Verbindung zur Torsteuerelektrode des Triac besteht, wobei diese Verbindung von dem Verbindungs-

punkt zwischen der Kathode der Diode 20 und dein Widerstand 22 ausgeht. Es sei bemerkt, daß der Widerstand 21 in der Schaltung nach Fig.3 entfällt, da hier lediglich eine einzige Torsieuerelektrode angesteuert werden muß.

Die Betriebsweise der Schaltung nach Fig.3 ist im wesentlichen zu der der Schaltung nach F i g. 2 identisch, wobei der Triac 50 lediglich in einem bestimmten »Fenster« leitfähig wird, das einem Momentansirom

von Null auf Grund der an die Anschlüsse 10 und 11 angelegten Spannung entspricht.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es verständlich, daß viele Abänderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind, so daß diese Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu betrachten sind.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

609 644/227

Claims (5)

■; Patentansprüche:

1. Festkörper-Relaisschaltung mit zwei in Reihe mit einer Last und in Reihe mit einer Wechselspannungs-Leistungsquelle verbindbaren Leistungsanschlüssen, mit in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelementen mit einer Steuerelektrode und zwei Hauptelektroden, die jeweils mit den beiden Leistungsanschlüssen verbunden sind, mit einer ein ' optisch betätigbares Element aufweisenden Steuerschaltung für die in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren '•Halbleiterelemente, mit einer Einphasen-Vollwegbrückengleichrichterschaltung, deren Wechselspanriungsanschiüsse mit den Leisturigsanschlüssen verbunden sind, mit Impedanzelementen, die zumindest in einen der Zweige der Brückenschaltung eingeschaltet sind und mit einem steuerbaren Schaltelement mit einem mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbundenen Steueranschluß und zwei mit den Gleichspannungsanschlüssen der Brückenschaltung verbundenen Hauptanschlüssen, wobei das Signal an den Impedanzelementen an die Steuerelektroden der in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelemente derart angekoppelt ist, daß diese in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des steuerbaren Schaltelementes leitfähig werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (26) ihre Betriebsspannung an den Gleichspannungsanschlüssen der Brückenschaltung (17 bis 20) entnimmt und erste, zweite und dritte parallele und zwischen den Gleichspannungsanschlüssen angeschaltete Kreise umfaßt, daß der erste Kreis eine erste Parallelschaltung aus einem Widerstand (40) und einem Kondensator (41) umfaGt, die in Reihe mit dem optisch betätigbaren Element (30) geschaltet ist, daß der zweite Kreis eine zweite Parallelschaltung aus einem Widerstand (42) und einem Kondensator (43) einschließt, die mit der Kollektor-Emitterstrekke eines dritten Transistors (31) in Reihe geschaltet ist, daß der dritte Kreis einen Spannungsteiler (44, 45) und einen zweiten Transistor (32) umfaßt, daß der Kollektor-Emitterkreis des zweiten Transistors (32) zwischen der Steuerelektrode des steuerbaren Schaltelementes (25) und einem der Gleichspannungsanschlüsse angeschaltet ist. daß das optisch betätigbare Element (30) zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode des ersten Transistors (31) angeschaltet ist, daß der Kollektor des ersten Transistors (31) mit der Steuerelektrode des steuerbaren Schaltelement (25) verbunden ist und daß eine optische Generatoreinrichtung (34) optisch mil dem optisch betätigbaren Schaltelement (30) verbunden ist und erste und zweite Anschlüsse (12, 13) /um Empfang von F.ingangssignalen für den Betrieb der Relaisschaltung aufweist.

2. Relaisschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Schaltelement (25) ein Thyristor ist.

3. Relaisschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiterelemente (23, 24) zwei entgegengesetzt eingeschaltete Thyristoren sind.

4. Relaisschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Leitfähigkeit steuerbaren Halbleiierelemente durch einen Triac (50) gebildet sind.

5. Relaisschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (26) erste, zweite und dritte parallele und zwischen den Gleichspannungsanschlüssen angeschaltete Kreise umfaßt, daß der erste Kreis eine erste Parallelschaltung aus einem Widerstand (40) und tinem Kondensator (41) unifaßt, die in Reihe mit dem optisch steuerbaren Schaltungselement (30) geschaltet ist, daß der zweite Kreis eine zweite Parallelschaltung aus einem Widerstand (42) und einem Kondensator (43) einschließt, die mit der Kollektor-Emitterstrecke eines dritten Transistors (31) in Reihe geschaltet ist, daß der dritte Kreis einen Spannungsteiler (44, 45) und einen zweiten Transistor (32) umfaßt, daß der Kollektor-Emitterkreis des zweiten Transistors (32) zwischen der Steuerelektrode des steuerbaren Schaltelementes (25) und einem der Gleichspannungsanschlüsse angeschaltet ist, daß das optisch steuerbare Schaltungselement (30) zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode des ersten Transistors (31) angeschaltet ist und daß der Kollektor des ersten Transistors (31) mit der Steuerelektrode des steuerbaren Schaltelementes (25) verbunden ist.