DE2313168C3 - Anordnung zur Ansteuerung eines bidirektionalen Thyristors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ansteuerung eines bidirektionalen Thyristors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Schalter oder Schütze sowohl für Einphasen-Wechselstrom als auch für Drehstromsysteme lassen sich unter Vermeidung mechanischer Schaltstrecken kontaktlos durch Halbleiterelemente ausführen. Für die Schaltdurchführung sind insbesondere als Ergebnisse moderner Halbleiterforschung bidirektionale Thyristoren — sogenannte Triacs — geeignet. Siu lassen sich grundsätzlich durch Ansteuerung mit positiven und negativen Impulsen oder Anlegen von Gleichspannungen in den leitenden Zustand versetzen. Dieser hält dann so lange an, bis der Laststrom Null wird oder zumindest der Haltestrom des nach Zündung in elektrisch positiver oder negativer Richtung durchlässigen Halbleiterelement unterschritten wird.

Es ist bereits eine Anordnung zur Ansteuerung eines derartigen Triacs bekannt, bei der dem Zündgitter die Zündleistung von der Seite des Netzes zugeführt wird, die eine dem Triac nachgeschaltete Last speist. Die praktische Ausführung ist dabei so getroffen, daß das Gitter über einen Strombegrenzungswiderstand und ein Schaltelement 5 angesteuert wird (Heumann-Stumpe »Thyristoren«, Teubner, Stuttgart 1967, S. 60, Fig. 60.1 b). Der Nachteil einer derartigen Zündanordnung besteht darin, daß das Schaltelement Sbeim Schalten der vollen Phasenspannung unterworfen ist. Wählt man für die praktische Auführung eines derartigen Schaltelementes z. B. an sich bekannte Reed-Kontakte, dann führen die unvermeidlichen Prellbewegungen, begünstigt durch die hohe Spannungsbelaslung, zu ausgeprägten Verschleißerscheinungen und begrenzen damit die Zahl der möglichen Schaltspiele.

Neuere Ausführungsformen von bidirektionalen Thyristoren (Triacs) bieten die Möglichkeit, die Sperrspannung gegenüber den bisher üblichen Werten wesentlich zu erhöhen. Dabei hat sich jedoch auch die erforderliche Zündleistung erheblich erhöht. In der Folge dessen werden die das Gate des Triacs ansteuernden Schaltelemente erneut einer größeren elektrischen Belastung unterworfen, was letztlich auch zu einer Verringerung der möglichen Schaltspiele führt Eine andere Art der Ansteuerung eines Triacs geht aus der US-PS 37 OCO 923 hervor. Von dort ist es bekannt, einen Triac über einen an seine Steuerelektrode angeschlossenen Übertrager zu steuern, wobei der Übertrager über einen Schalter an eine Steuerspannungsquelle angeschlossen ist. Bei dieser Art der Ansteuerung des Triacs wird dessen Zündleistung nicht aus dem Lastkreis entnommen, sondern es ist dazu eine separate Steuerspannungsquelle nötig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den Einsatz bidirektionaler Thyristoren (Triacs) bei Ausnutzung der hohen Sperrspannungen in möglichst weiten Gebieten der Technik zu ermöglichen und insbesondere die Anzahl der möglichen Schaltspiele der das Gate ansteuernden Schaltelemente auch unter den erschwerten Bedingungen möglichst groß zu halten.

Eine Erfindung wird bei einer eingangs beschriebenen Anordnung darin gesehen, daß an die Speisespannungsseite der geschalteten Phase einpolig ein Spartransformator angeschlossen ist, dessen Wicklungsabgriff zum Gate-Anschluß des bidirektionalen Thyristors führt.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es zeigt die Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der bekannten Zündschaltung, beispielsweise bei einer Verwendung in einem Mehrphasennetz.

Die F i g. 2 und 3 verdeutlichen den Erfindungsgedanken in einem Einphasenwechselslromnetz, und es veranschaulichen die Fig.4 und 5 den Einsatz der erfinderischen Anordnung für Mehrphasennetze.
In der Fig. 1 erkennt man die Anschlüsse des speisenden Netzes R. S, Γ einer Schalteinrichtung mit den Aufgängen U, V und IV. Die eigentliche Leistungsschaltung erfolgt durch bidirektionale Thyristoren (Triacs) 1,2 und 3, die in jeder Phase angeordnet sind. Ihre Gate-Anschlüsse 4, 5 und 6 werden über Widerstände 7,8 und 9 und Schaltelemente 10,11 und 12 an das speisende Netz R. S, rangeschlossen. Wie bereits erläutert, sind nachteiligerweise die Schaltelemente 10, 11 und 12 mit der vollen Phasenspannung belastet.

Führt man nun die Zündschaltung mit Reed-Kontakten aus — sie kommen heute vielfach für Triac-Schalter und Drehstrom-Triacschütze zum Einsatz — ist ihre Lebensdauer dann nicht mehr ausreichend, wenn die Triac-Bauelemente mit hohen Zündströmen (/(, > 100 mA) bei hohen Netzspannungen (£/n > 220 V) angesteuert werden müssen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Zündschaltung beträgt die Schaltleistung der Reed-Kontakte Sn_mi = Un ■ Ic Sie ist damit um das Verhältnis UuIUt., worin Ur, die Zündspannung bedeutet, größer als die maximal erforderliche Zündleistung SV, = Uc ■ Ic- Die Lebensdauer der Hilfsschalter in den Zündkreisen kann nun dadurch wesentlich vergrößert werden, daß die Schaltleistung auf das erforderliche Maß verringert wird.

Eine erfinderische Anordnung zur Verwirklichung dessen ist nun in den folgenden Figuren dargestellt.

Man erkennt in den F i g. 2 und 3 eine Zündanordnung für einen bidirektionalen Thyristor in einer einphasigen

Ausführung. Die Spannung der Phase R wird von dem Triac 13 an eine Last 14 gelegt In dem dargestellten Fall ist die Last 14 mit dem Mittelpunkt M_p des Systems verbunden. Um die Lebensdauer des Kontaktes 15 — er steuert das Gate IS des Triacs an — nun wesentlich zu erhöhen, wird in Verwirklichung der oben dargestellten Gedanken die Schaltleistung des Triacs auf das erforderliche Mindestmaß verringert.

Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, ist ein Spartransformator 17 vorgesehen, dessen einer Anschluß mit dem Teil der geschalteten Phasenleitung verbunden ist der elektrisch von der Speisequelle her befruchtet vor dem Triac liegt Der Anschluß erfolgt wie dargestellt im Punkt Ϊ8. Um den Kontakt 15 nun möglichst gering zu belasten, sind prinzipiell zwei Lösungen möglich. Er kann zum einen elektrisch zwischen dem Gate 16 und einem Wicklungsteil des Spartransformators 17 vorgesehen — wie es die Fi g. 2 zeigt — oder er kann zum anderen in Reihe mit df:m freien Ende des Spartransformators 17 geschaltet sein. Eine derartige Lösung wird durch die Fig.3 verdeutlicht. Der elektrische Anschluß des freien Endes 19 des Spartransformators bzw. des beschalteten freien Endes 19a — bezogen auf die Anordnung der F i g. 3 — sind nun entweder — und dies erfolgt in Abhängigkeit der elektrischen Kenngrößen der Last — an den 2·\ Mittelpunkt des Systems oder an eine weitere Phase angeschlossen. Die Anschlüsse mehrerer Spartransformatoren können letztlich auch zu einem Sternpunkt vereinigt werden.

In den vorstehend beschriebenen Figuren wie auch in den folgenden sind gleicharige Teile mit gleichen Ziffern bezeichnet.

Die Anordnung der Fig.4 zeigt die Verwirklichung des Erfindungsgedanken für ein Drehstromsystem. Der Teil A der Figur zeigt eine Schalteinrichtung gespeist von den Phasen R, S, Tmit den Ausgängen U, V, W. Es ist in jeder Phase ein Triac 13 vorgesehen, dessen Gate

16 über den Kontakt 15 an einen Wicklungsteil des Spartransormators 17 im Punkt 18 an die speisende Phase angeschlossen ist. Die Kontakte 15 werden ίο gemeinsam von einem Auslöser 20 betätigt. Bei dem dargestellten Beispiel sind die freien Enden 19 der Spartransformatoren 17 in einem Sternpunkt kurzgeschlossen. Der Auslöser 20 wird über die Außenanschlüsse 21 und 22 angesprochen. Der Teil A der F i g. 4 zeigt eine Ausführung für ein Drehstromsystem, ausgehend von der Anordnung entsprechend der F i g. 2, nach der die Schaltkontakte elektrisch zwischen dem Gate 16 und de·· Teilwicklung des Spartransformators

17 vorgesehen sind. Eine im übertragenen Sinne aufgebaute Schaltung

zeigt der Teil B der Figur. Man erkennt, daß entsprechend der Ausführung der F i g. 3 die Kontakte 15 in Reihe mit dem freien Ende 19 des Spartransformators liegen.

In dem Teil A der Fig.4 sind für die Kontakte 15 Niederspannungsausführungen vorgesehen. Sie führen jedoch einen hohen Strom, während die Kontakte 15 im Teil B der Figur für die Netzspannung ausgewählt werden müssen. Sie führen in diesem Fall einen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Spartransformators verminderten Strom.

In den Schaltungen entsprechend den F i g. 4a und 4b werden jeweils drei bzw. zwei Kontakte als Wechselstromschalter eingesetzt Eine bedeutende Verbesserung hinsichtlich der Anzahl der vorzusehender Kontakte wird entsprechend der Ausführung der F i g. 4c dann erreicht wenn man die freien Enden 19 der Spartransformatoren 17 durch ein Schaltelement im Rahmen einer Sternpunktverbindung kurzschließt. Zur Verwirklichung dieses Gedankens werden die freien Enden 19 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Brückenschaltung 23 geführt Es wird dann der gleichgerichtete Ausgang dieser Brücke von dem Kontakt 15 kurzgeschlossen. Der Gedanke, die freien Enden 19 der Spartransformatoren 17 im Rahmen einer Sternpunktverbindung mit nur einem Kontakt kurzzuschließen, ist nicht an die dargestellte Brückenschaltung gebunden. Vielmehr wäre es z. B. auch möglich, statt der vorgesehenen Brückendioden in zwei Brückenzweigen steuerbare Thyristoren vorzusehen. Das Kurzschließen des Sternpunktes könnte dann von diesen Elementen erfolgen, und es erübrigte sich der vorgesehene mechanische Kontakt.

Aufgrund der optimal angepaßten Schaltleistungen der Hilfsschalter an die Zündleitung der Triacs entsprechend der Lehre der Erfindung kann man die Kontakte 13, wie bereits im Zusammenhang mit der F i g. 4c angedeutet, durch kontaktlose Wechselspannungs- oder Gleichspannungs-Halbleiterschalter ersetzen.

So zeigt die F i g. 5 Lösungsmöglichkeiten, bei denen die Kontakte 15 durch opto-elektronische Elemente ersetzt sind. Die Fig. 5a veranschaulicht eine Anordnung entsprechend der der F i g. 4a. Es sind lediglich der Auslöser 20 durch eine lichtemittierende Diode 24 und die Kontakte 15 durch Phototransistorschalter 25 ersetzt Die praktische Ausführung des Phototransistorschalters 25 ist beispielsweise in der Fig.5b verdeutlicht. Man erkennt eine aus vier Dioden aufgebaute Brücke, einen im Gleichstromzweig mit einem Basiswiderstand versehenen Transistor und einen die Basis ansteuernden Phototransistor.

Vergleichbar mit der Anordnung der Fig. 4c veranschaulicht die Fig.5c eine Lösung, in der der mechanische Kontakt 15 durch einen Phototransistorschalter ersetzt ist, der ebenfalls von der Photodiode 24 angesteuert wird.

Durch die Anpassung der Zündleistung an die nur erforderliche Leistungsgröße mit Hilfe des Spartransformators sind also entsprechend der Lehre der Erfindung zum einen bei Verwendung mechanischer Kontakte eine hohe Zahl von Schaltspielen möglich, bzw. es wird zum anderen in Erschließung einer neuen Technik die Ansteuerung der bidirektionalen Thyristoren mit opto-elektronischen Schaltelementen möglich. Es sind damit sowohl die Betriebssicherheit von modernen Schaltern bzw. Drehstromschützen und auch deren wirtschaftlicher Aufwand technisch vorteilhaft gestaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Ansteuerung je eines, eine Phase eines Wechselspannungssystems schaltenden, bidirektionalen Thyristors, dem die Zündleistung aus dem Lastkreis über ein Schaltelement zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an die Speisespannungsseite der geschalteten Phase einpolig ein Spartransformator angeschlossen ist, dessen Wicklungsabgriff zum Gate-Anschluß des bidirektionalen Thyristors führt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (15) zwischen dem Gate-Anschluß des bidirektionalen Thyristors (13) und dem Wicklungsteil des Spartransformators (17 angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (15) mit dem spannungsmäßig freien Anschluß (19) des Spartransformators (17) in Reihe geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrphasigen Wechselspannungssystem die spannungsfreien Anschlüsse (19) der Spartransformatoren (17) durch mindestens ein Schaltelement (15) in einer Sternpunktverbindung kurzschließbar sind.