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Schaltungsanordnung zum Schutze eines elektronischen Zwei-
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draht-Vechselstromschalters gegen Überlastung
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutze eines elektronischen Zweidraht-Wechselstromschalters
gegen Überlastung, mit einer Steuerelektronik, welche einen extern beeinflußbaren
Oszillator mit einem nachgeschalteten Verstärker aufweist, mit einem in Reihe mit
einem Fiihlerwiderstand zwischen den beiden Klemmen einer Spannungsversorgungseinrichtung
angeordneten Thyristor, dessen Gate von der Steuerelektronik beaufschlagbar ist,
und mit einer Strombegrenzungsstufe im Lastkreis.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-AS 21 49 063 bekannt.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist jedoch nicht frei von Nachteilen. Wenn nämlich
der Fühlerwiderstand niederohmig ausgebildet ist, liegt praktisch keine Begrenzung
des Stromes bei einem Kurzschluß in der Last vor. Dies bedeutet, daß alle Schaltungselemente
im Lastkreis so ausgelegt werden müssen, daß sie durch den sehr hohen Kurzschlußstrom
nicht beschädigt oder zerstört werden können. Dies ist in der Praxis aus räumlichen
Gründen kaum möglich.
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Wenn jedoch zur Vermeidung des oben dargelegten Nachteils ein zusätzlicher
Widerstand vorgesehen wird, entsteht der empfindliche Nachteil, daß auch im normalen
Betrieb der Schaltungsanordnung der Widerstand im Lastkreis zu einem entsprechend
hohen Spannungsabfall und einer Verlustleistung an diesem Widerstand führt, die
eine für die Praxis nicht tragbare Wälmeentwicklung hervorruft.
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Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum Schutze eines elektronischen Zweidraht-Wechselstromschalters gegen Überlastung
zu schaffen, welche auch bei einem niederohmigen Lastkreis die Notwendigkeit vermeidet,
die Schaltungselemente im Lastkreis so zu dimensionieren, daß sie den Kurzschlußstrom
aufnehmen könnten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein Transistor
zwischen dem Thyristor und dem Fühlerwiderstand, dessen Basis über einen Ansteuerwiderstand
mit dem einen Pol der zur Versorgung der Steuerelektronik dienenden Spannungsversorgung
verbunden ist, eine Zenerdiode, die zwischen der Basis des Transistors und dem anderen
Pol der pannungs versorgung angeordnet ist, einen Begrenzungsthyristor, der zwischen
dem Ansteuerwiderstand und dem anderen Pol der Spannungsversorgung angeordnet ist,
dessen Gate über eine Zenerdiode und einen Reihenwiderstand mit dem Verbindungs
punkt zwischen dem Thyristor und dem Transistor verbunden ist und dessen Anode mit
der Basis des Transistors verbunden ist.
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Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß der Fühlerwiderstand und die
Zenerdiode derart dimensioniert und aufeinander abgestimmt sind, daß die Strombegrenzung
bei einem Kurzschluß im Lastkreis dann einsetzt, wenn der Spannungsabfall am Fühlerwiderstand
größer wird als an der Zenerdiode, indem der Begrtnzungsthyristor gezündet und der
Transistor gesperrt werden.
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Gemäß der Erfindung ist der erhebliche Vorteil erreichbar, daß auch
im Kurzschlußfall die Bauelemente im Lastkreis nicht mit dem Kurzschlußstrom beaufschlagt
werden, und dieses Ergebnis wird erreicht, ohne daß ein hochohmiger Widerstand im
Lastkreis vorhanden ist und die damit verbundene Verlustleistung abgeführt werden
müßte.
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Nachdem ein Kurzschluß aufgetreten ist, fließt vielmehr im Lastkreis
nur noch ein Strom, der um etwa zwei Größenordnungen geringer ist als der Nennstrom
des Wechselstromschalters.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sieht vor, daß der Transistor als MOS-Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist, dabei
kann vorzugsweise die Anordnung derart getroffen sein, daß das Gate des Begrenzungsthyristors
über zueinander in Reihe geschaltete Widerstände mit dem Verbindungspunkt zwischen
dem Fühlerwiderstand und der Source des MOS-Feldeffekt-Transistors verbunden ist
und daß zwischen einem Verbindungspunkt zwischen den zueinander in Reihe geschalteten
Widepständen und dem anderen Pol der Versorgungsspannung ein Kondensator angeordnet
ist.
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Durch diese vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird zusätzlich der Vorteil erreicht, daß nicht nur ein wirksamer Schutz gegen einen
Kurzschluß gewährleistet ist, sondern daß der Wechselstromschalter auch gegen schädliche
Einflüsse geschützt ist, die dadurch entstehen können, daß der Wechselstromschalter
ständig mit einem überhöhten Strom betrieben wird, der zwar als Überlastung wirkt,
jedoch noch nicht als Kurzschluß anzusprechen ist.
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Die Verwendung eines MOS-Feldeffekt-Transistors bringt auch den Vorteil
mich sich, daß die Ansteuerung nahezu leistungslos durchgeführt werden kann.
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Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen sein, daß zwischen dem Begrenzungsthyristor
und dem Ansteuerwiderstand eine Diode angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei Weiterhin
vorgesehen, daß die Diode als Licht emittierende Diode ausgebildet ist. Dadurch
ist es möglich, einen Kurzschlußfall oder einen Uberlastfall anzuzeigen. Die Licht
emittierende Diode leuchtet nur dann, wenn der Begrenzungsthyristor gezündet hat,
und damit wird angezeigt, daß entweder eine Uberlastung des Wechselstromschalters
oder ein Lastturbzschluß vorgelegen hat.
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Es kann vorzugsweise auch vorgesehen sein, daß zwischen dem Verbindungspunkt
von der Diode zu dem Begrenzungsthyristor eine Steuerleitung zu der Steuerelektronik
angeordnet ist.
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Über diese Meldeleitung kann der Steuerelektronik signalisiert werden
daß der Begrenzungsthyristor durchgeschaltet wurde. Damit ist die Möglichkeit gegeben,
nach dem Durchschalten des Begrenzungsthyristors die Steuerelektronik so zu beeinflussen,
daß der Thyristor im Lastkreis abgeschaltet wird bzw. nach dem ersten Nulldurchgang
des Stromes nicht mehr eingeschaltet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 2 ein weiteres Schaltschema, welches
eine vorteilhafte Weiterbildung der in der Fig. 1 veranschaulichten Schaltungsanordnung
darstellt, und Fig. 3 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der
in den Figuren 1 und 2 veranschaulichten Schaltungen.
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Nachfolgend wird anhand der Figur 1 der Aufbau einer bevorzarten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen SchaLtungsanordnung erläutert. Ein Pol einer Spannungsversorgun£Tsein
richtung 1, die vorzugsweise als Wechselspannung-Versorgungseinrichtung ausgebildet
ist, ist über einen Lastwiderstand 2 an eine Klemme 3 des elektronischen Wechselstromschalters
gelegt. Der andere Pol der Spannungsversorgungs einrichtung 1 ist direkt an eine
weitere Klemme 4 angeschlossen. Die Speisespannung wird über eine Gleichrichterbrücke
5
gleichgerichtet. Über eine Versorgungseinheit 6, die aus einem Vorwiderstand oder
aus einem Stromregler oder auch aus einem Spannungsregler oder aber aus einer Kombination
solcher Elemente bestehen kann, wird eine Steuerelektronik 7 mit Spannung versorgt.
Ein Kondensator 8, der zwischen dem einen und dem anderen Pol der Versorgungsspannung
angeordnet ist, dient zur Glättung der Spannung für die Steuerelektronik 7. Die
Steuerelektronik 7 enthält einen (nicht dargestellten) von außen beeinflußbaren
Transistor-Oszillator mit einer nchgeschalteten Verstärkereinrichtung zur Ansteuerung
eines Thyristors 9 im Lastkreis. Die Anode des Thyristors 9 liegt direkt am positiven
Pol des Brückengleichrichters 5. Die Kathode des Thyristors 9 ist über eine Reihenschaltung
aus der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 10 und inem Fühlerwiderstand
11 mit dem negativen Pol des Brückengleichrichters 5 verbunden. Die Basis des Transistors
10 ist über einen Ansteuerwiderstand 13 mit dem positiven Pol der spannung zur Versorgung
der Steuerelektronik 7 verbunden. Außerdem ist die Basis des Transistors 10 über
eine Zenerdiode 12 mit dem negativen Pol der Gleichrichterbrücke 5 verbunden. Der
negative Pol der Gleichrichterbrücke 5 ist identisch mit dem negativen Pol der Speisespannung
für die Steuerelektronik 7.
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Der Transistor 10, der Fühlerwiderstand 11 und die Zenerdiode 12 bilden
zusammen mit dem Ansteuerwiderstand 1x eine Strombegrenzungsschaltung.
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Wenn durch eine externe Beeinflussina des (nicht dargestellten) Transistor-Oszillators
in der Steuerelektronik 7 der Thyristor 9 gezündet wird, so wird die Speisespannung
von der Spannungsversorgungseinrichtung 1 über den Thyristor 9 und den Transistor
10 sowie über den Fühlerwiderstand 11 an den Lastwider-2 durchgeschaltet.
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Wenn der Laststrom in dem Lastwiderstand 2 kleiner als der oder gleich
dem zugelassenen Nennstrom ist bzw. kleiner als der oder gleich dem zugelassenen
Stoßstrom ist, bleibt der Transistor 10 durchgeschaltet. Wird die Last jedoch kurzgeschlossen,
tritt sofort an dem Fühlerwiderstand 11 ein größerer Spannungsabfall auf. In demjenigen
Augenblick, in welchem dieser Spannungsabfall am Fühlerwiderstand 11 größer ist
als die Spannung der Zenerdiode 12, setzt die Strombegrenzung ein.
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Die Basis-Emitter-Schwellenspannung des Transistors 10 ist bei dieser
vereinfachten Betrachtung außer acht gelassen worden. Sobald die Strombegrenzung
des Transistors 10 einsetzt, tritt an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors
10 ein Spannungsabfall auf. Übersteigt dieser Spannungsabfall zusammen mit dem Spannungsabfall
am Fühlerwiderstand 11 die Spannung an einer Zenerdiode 14, die in Reihe mit einem
Reihenwiderstand 15 zwischen dem Gate des Begrenzungsthyristors 16 und dem Verbindungspunkt
zwischen dem Thyristor 9 und dem Transistor 10 angeordnet ist, so wird über die
Zenerdiode 14 und den Reihenwiderstand 15 das Gate des Begrenzungsthyristors 16
angesteuert, so daß der Begrenzungsthyristor 16 zündet. Da die Anode des Begrenzungsthyristors
16 direkt mit der Basis des Transistors 10 verbunden ist und die Kathode des Begrenzungsthyristors
16 direkt mit dem negativen Pol der Speisespannung verbunden ist, wird bei gezündetem
Begrenzungsthyristor 16 der Transistor 10 vollständig gesperrt. Der Basisstrom des
Transistors 10 durch den Ansteuerwiderstand 13 wird über den Begrenzungsthyristor
16 an den negativen Pol der Gleichrichterbrücke 5 abgeleitet.
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Nach dem Auftreten eines Kurzschlusses in dem Lastwiderstand 2 stellt
sich sofort folgender Betriebszustand der Schaltung ein: Der Begrenzungsthyristor
16 ist durchgeschaltet, und damit ist der Transistor 10 vollständig gesperrt. Die
Gesamtschaltung nimmt in diesem Betriebszustand nur noch einen Rest strom auf, der
sich aus dem Eigenverbrauch der
Steuerelektronik 7, dem Strom durch
den Ansteuerwiderstand 13 und den Begrenzungsthyristor 16 sowie aus dem Strom durch
den Thyristor Q und die Reihenschaltung aus der 7.t nerdiode 14 mit dem hochohmigen
Xeihenwiderstend 15 und der Zündstrecke des Begrenzungstransistors 1f zusammensetzt.
Dieser Reststrom liegt um etwa zwei Gräßenordnungen geringer als der Nennstrom des
Wechse'st omschaltens.
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Dieser Betriebszustand bleibt auch dann bestehen, wenn zwischen zeitlich
der Kurzschluß an Lastwiderstand 2 beseitir;t wurde. Das Verhalten des Wechselstromschalters
wird daher maßgeblich durch die Tatsache bestimmt, daß der Begrenzungsthyristorn
1 durchgeschaltet ist. Dieser Begrenzungsthyristor 16 bleibt so lange durchgeschaltet,
bis sein Haltestrom unterschritten wird. Dies kann jedoch nur dann geschehen, wenn
die Schaltung mindestens so lange, bis der Kondensator 8 praktisch entladen ist,
einpolig für kurze Zeit von der Speisespannung abgetrennt wird, die durch die Spannungsversorgungseinrichtung
1 geliefert wird. Wenn daher einmal ein Lastkurzschluß aufgetreten ist, bleibt der
Wechselstromschalter so lange gesperrt, bis eine Quittierung erfolgt, die ein einpoliges
oder zweipoliges Abtrennen des Wechselstromschalters von der Speisespannung bedeutet.
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Die heute allgemein üblichen technischen Daten für einen Zweidraht-Wechselstromschalter
nach de. Fig. 1 sind folgende Speisespennungsbereich: 20 bis 250 V, Dauernennstr!m:
Etwa 0,5 A und zugelassener Stoßstrom: Etwa 3,5 A Eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltung kann bei einem Widerstandswertvon 1 Ohm für den
Fühlerwiderstand 11 folgende Dimensionierung aufweisen: Die Zenerspannung der Zenerdiode
12 beträgt ungefähr 3 V. Hierbei ist berücksichtigt, daß die Schwellenspannung des
Traxasistors 10 etwa 0,5 V beträgt. Bei dieser Dimensionierung del Zenerdiode
12
wird die Strombegrenzung des Transistors 10 erst dann wirksam, wenn der Stoßstrom
von 3,5 A überschritten wird. Die Zenerspannung der Zenerdiode 14 beträgt ungefähr
5 V. Sobald die Strombegrenzung durch den Transistor 10 einsetzt, wird dann der
Begrenzungsthyristor 16 gezündet, und es erfolgt die oben beschriebene Abschaltung.
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Bei dieser angegebenen Dimensionierung der elektrischen Bauteile ist
es möglich, daß der Wechselstromschalter ständig mit einem Strom bis zu etwa 3,5
A betrieben wird, ohne daß eine Abschaltung erfolgt. Deshalb ist ein wirksamer Schutz
gegen eine ständige Überlast noch nicht vorhanden. Um auch diesen Schutz zu erreichen,
wird der Wechselstromschalter in der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 2 ausgebildet.
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Die in der Fig. 2 dargestellte Schaltung weist anstelle des Transistors
10 einen MOS-Feldeffekt-Transistor 100 auf. Das Gate G dieses MOS-FET 100 entspricht
der Basis des Transistors 10, die Drain D entspricht dem Kollektor, und die Source
S entspricht dem Emitter des Transistors 10. Die Verwendung eines l0S-FET führt
dazu, daß die Ansteuerung nahezu leistungslos durchgeführt werden kann. Der Ansteuerwiderstand
13 kann also relativ hochohmig gewählt werden. Die Zenerdiode 42 kann entfallen,
wenn die Speisespannung für die Steuerelektronik 7 eine konstante Spannung ist.
Die Gate-Source-Spannung des MOS-FEP 100, die über den Ansteuerwiderstand 13 an
das Gate G gelegt wird, ist positiv und bleibt auch so lange positiv, bis der Spannungsabfall
am Fühlerwiderstand 11 einen Wert erreicht, der gleich der oder größer als die Versorgungsspannung
der Steuerelektronik 7 ist. Bei positiver Gate-Source-Spannung ist die Drain-Source-Strecke
des MOS-FET 100 durchgeschaltet. Wenn die Gate-Source-Spanung gleich null oder negativ
ist, wird die Drain-Source-Strecke des MOS-FET 100 gesperrt. Die Wirkungsweise der
Strombegrenzung
ist bei der Verwendung des MOS-FET 100 prak -tisch mit der Wirkungsweise der Schaltung
nach Fig. 1 identisch.
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Um zusätzlich einen Überlastschutz zu erreichen, d.h. einen Schutz
des Wechselstromschalters gegen solche Ströme, die zwar verhältnismäßig hoch sind,
jedoch noch nicht als Kuzschlußstrom zu bezeichnen sind, wird das Gate des Berenzunsthyristors
16 über in Reihe zueinander geschaltete Widerstände 17 und 49 mit dem Fühlerwiderstand
1n und zugleich mit der Source S des MOS-FET 100 verbunden. Weiterhin wird zwischen
dem Verbindungspunkt der Widerstände 17 und 19 einerseits und dem negativen Pol
der Gleichrichterbrücke 5 ein Kondensator 18 angeordnet. Aus dieser Schaltungsanordnung
ergibt sich eine Wirkungsweise, die anhand der Diagramme der Fig. 7 näher erläutet
wird.
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Bei den Diagrammen nach der Fig. 3 sind jeweils der Strom 111 im Fühlerwiderstand
11, der Spannungsabfall U11 am Fühlerwiderstand 11, die Spannung U18 am Kondensator
18 und die Spannung U100 an der Drain und der Source des MOS-FET 100 über der Zeit
dargestellt.
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Wenn zum Zeitpunkt t1 der Thyristor 9 gezündet wird, fließt durch
den Fühlerwiderstand 11 der Laststrom 111 von beispielsweise 0,5 A Nennstrom. Am
Fühlerwiderstand 11 tritt ein proportionaler Spannungsabfall U11 auf. Mit dieser
Spannung U11 wird der Kondensator 18 über den Widerstand 17 mit einer Zeitkonstante
von zu = R17 x C18 aufgeladen. Bei einem Betrieb mit dem Nennstrom ist die Ladespannung
am Kondensator 18 gerade so groß, daß sie etwas unterhalb der Zündschwelle des Begrenzungsthyristors
16 liegt. Eine Zündung dieses Begrenzungsthyristors erfolgt also auch nach beliebig
langer Stromflußzeit nicht. An der Drain D und der Source S des MOS-FET 100 steht
nur die normale Durchlaßspannung U100 zur Verfüung.
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Wenn zum Zeitpunkt t2 der Wechselstromschalter beispielsweise mit
dem doppelten Nennstrom belastet wird, so tritt auch am Fühlerwiderstand 14 die
doppelte Spannung U11 auf.
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Der Kondensator 18 wird wiSerum über den Vorwidepstand mit der Zeitkonstanten
X auf diese Spannung aufgeladen. Nach der Zeit t2/1 hat der Kondensator 18 jedoch
eine Ladespannung erreicht, die gleich der Zündspannung des Begrenzun:sthyristors
16 ist. In diesem Augenblick wird der Begrenzungsthyristor 1G gezündet, und es wird
dadurch gemäß der obigen Erläuterung der MOS-FET 100 gesperrt. Der Laststrom wird
bis auf den geringen Reststrom zurückgeführt. Die Spannung am MOS-FET 100 steigt
bis auf den Nennwert der Speisespannung schlagartig an. Dieser Betriebszustand wird
so lange aufrechterhalten, bis durch eine einpolige oder zweipolige Unterbrechung
der Speisespannung der Wechselstromschalter wieder betriebsbereit wird.
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Die Zeit t2/1, in welcher der Kondensator 18 eine Ladespannung erreicht,
die gleich der Zündspannung des Begrenzungsthyristors.16 ist hängt von der Größe
des Stromes I<1 bzw.
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von dar Größe des Spannungsabfalls U11 ab. Daraus ergibt sich, daß
die Abschaltzeit für den gesamten Wechselstromschalter von der Größe des Überlaststromes
abhängig ist. Ist der Überlaststrom nur gering, so ist die Zeit t2/1 sehr groß.
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Ist der UbeLalaststrom groß, so wird die Zeit t2/1 entsprechend kürzer.
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Wenn im Zeitpunkt t3 ein Lastkurzschluß auftritt oder eine so hohe
Überlastung eintritt, daß die Strombegrenzung des MOS-FET 100 sofort einsetzt, so
tritt gemäß der obigen Erläuterung am MOS-FET 100 ein entsprechender Spannungsabfall
auf. Sobald dieser Spannungsabfall einen Wert erreicht, der dazu ausreicht, über
die Zenerdiode 14 und den Reihenwiderstand 15 den Begrenzungsthyristor 16 zu zünden,
erfolgt eine sofortige Abschaltung. Daraus ergibt sich, daß bei einem
Kurzschluß
in dem Lastwiderstand 2 oder bei einer Überlastung, die durch einen Strom hervorgerufen
wird, der höher ist als der zugelassene Stoßstrom, eine sofortige AbschaltunFr des
Wechselstromschalters herbeigeführt wird. Eine Verlustleistung an dem MOS-FET 100
tritt nicht auf. Sofern keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, liegt die Abschaltzeit
in einer Größenordnung, die den Eigenzeiten der verwendeten Bauelemente entspricht.
Dies bedeutet, daß die Abschaltzeit im Nanosekunden-Bereich liegt und maximal wenige
Mikrosekunden beträgt.
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In der Schaltung nach der Fig. 2 ist in den Anodenkreis des Begrenzungsthyristors
16 eine Diode 20 eingeschaltet. Diese Diode 20 ist vorzugsweise eine Licht emittierende
Diode. Damit ist es möglich, einen Kurzschlußfall oder einen tberlastfall anzuzeigen.
Die Diode 20 leuchtet dann auf, wenn der Begrenzungsthyristor 16 gezündet hat Dies
bedeutet gemäß den obigen Erläuterungen, daß zwangsläufig entweder eine Überlastung
durch einen erhöhten Strom oder ein Lastkurzschluß vorhanden sein mußte.
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Weiterhin ist in der Fig. 2 eine Meldeleitung von der Anode des Begrenzungsthyristors
16 zu der Steuerelektronik 7 geführt.
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Über diese Meldeleitung kann der Steuerelektronik 7 gemeldet werden,
daß der Begrenzungsthyristor 16 durchgeschaltet wurde.
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Somit ist die Möglichkeit gegeben, nach dem Durchschalten des Begrenzungsthyristors
16 auf Grund einer entsprechenden Überlastung oder eines Lastkurzschlusses die Steuerelektronik
7 so zu beeinflussen, daß der Thyristor 9 abgeschaltet wird bzw. nach dem ersten
Nulldurchgang des Stromes nichtmmehr eingeschaltet wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist gemäß der obigen Beschreibung
in ihrer am meisten bevorzugten Ausführungsform
in der Lage, eine
Abschaltung nicht nur bei einem Lastkurzschluß außerordentlich kurzzeitig herbeizuführen,
sondern auch eine Abschaltung dann zu bewirken, wenn der Strom über eine bestimmte
Zeit einen vorgebbaren Strompegel überschritten hat.