DE3531021A1

DE3531021A1 - Elektrischer schalter

Info

Publication number: DE3531021A1
Application number: DE19853531021
Authority: DE
Inventors: Anton Marcel Forthampton Gloucestershire Bax
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1984-09-18
Filing date: 1985-08-30
Publication date: 1986-03-27
Anticipated expiration: 2005-08-31
Also published as: GB2164509A; GB8522099D0; US4705963A; GB2164509B; FR2570562A1; GB8423574D0; FR2570562B1; JPS6179321A; DE3531021C2

Description

GB-London NWIl 8DS

Elektrischer Schalter

Die Erfindung betrifft einen elektrischen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Schalter

Zum Schalten von Wechselstrom mittels eines Festkörperschalters werden üblicherweise Triacs verwendet. Es ist bekannt, daß Triacs jedoch den Nachteil aufweisen, daß sie auf Durchlaß schalten, wenn sie an sich gesperrt sein sollten, wenn eine Spannungsspitze am Leistungseingang auftritt. Dieser Effekt wird als Kommutation bezeichnet und stellt einen bekannten Nachteil dieser Festkörperschalter dar. Da ein Triac, wenn er einmal getriggert ist, im leitenden Zustand bleibt, bis der Strom unterbrochen wird, kann dies über längere Zeit hinweg zu einem unerwünschten Stromdurchgang führen, mit der Folge, daß elektrische Bauteile, die mit seinem Ausgang verbunden sind, zerstört werden können.

Um den Kommutationseffekt zu vermindern, ist es bekannt, Filter zu verwenden, um Spannungspitzen am Eingang des Triacs zu verhindern. Hierdurch wird jedoch die Größe des durch den Triac fließenden Stroms begrenzt. Außerdem sind große Kondensatoren und Drosseln erforderlich, wodurch

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Größe und Gewicht des Festkörperschalters anwachsen.

Es besteht die Aufgabe, den elektronischen Schalter unter Verwendung eines Festkörperschalters so auszubilden, daß Spannungsspitzen ihn nicht in den leitenden Zustand überführen .

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die Verwendung eines Transistorschalters, dessen Arbeitsweise unempfindlich ist gegenüber starken Spannungsänderungen an den Anschlüssen der Schaltung, können Kommutationsprobleme vermieden werden. Anormale Eingangssignale am Eingang des Transistorschalters bewirken lediglich ein Einschalten des Schalters über die Dauer solcher Signale hinweg.

Zwei Ausführungsbeispiele eines elektronischen Wechselstromschalters werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiel s.

Die Schaltung nach Fig. 1 umfasst eine Schaltereinbeit 1, welche zwischen einem Signaleingang 2 und einem Signaleingang 3 in Serie geschaltet ist. _Die Arbeitsweise der Einheit 1 wird gesteuert durch eine Schaltsteuereinheit 4, der

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Steuersignale über die Leitung 5 zugeführt werden.

Die Schaltereinheit 1 weist ein erstes Diodenpaar , bestehend aus den Dioden 11 und 12 auf, die gegenpolig zueinander in Serie zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 geschaltet sind. Anstelle der Dioden 11 und

12 können auch entsprechende Gleichrichter verwendet werden. Im gezeigten Beispiel sind die Kathoden der beiden Dioden 11, 12 miteinander verbunden und liegen an einem gemeinsamen Anschluß 13 . Die Schaltereinheit 1 umfasst ein zweites Diodenpaar, bestehend aus den Dioden 21 und 22, die ebenfalls gegenpolig zueinander, in Serie zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 und parallel zu dem ersten Diodenpaar 11, 12 geschaltet sind. Das zweite Diodenpaar 21, 22 ist gegenpolig zu dem ersten Diodenpaar geschaltet, d.h. ihre beiden Anoden sind miteinander verbunden und liegen gemeinsam ann Anschluß 23. Die Schaltereinheit 1 wird vervollständigt durch einen N-Kanal-MOSFET Transistor, der mit seinen Source- und Drain-Elektroden zwischen den Anschlüssen 13 und 23 geschaltet ist.

Der Transistor 30 kann ein- und ausgeschaltet werden, so daß entweder ein Stromfluß zwischen den Anschlüssen

13 und 23 über den Transistor vorhanden ist oder ein solcher Stromfluß unterbrochen ist. 1st der Transistor 30 leitend, dann wird die Schaltereinheit 1 ebenfalls leitend, so daß ein Signalstrom zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 zu fließen vermag. Liegt ein Wechselstromeingangssignal am Eingang 2 und am Ausgang 3 an, dann erfolgt der Stromfluß während der positiven Halbwelle vom Eingang über die Diode 11, den Transistor 30, die Diode 22 zum Ausgang 3. Bei der negativen Halbwelle der Wechselspannung findet ein Stromfluß vom Ausgang 3

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liber die Diode 12, den Transistor 30, die Diode 21 zum Eingang 2 statt. Der Stromfluß durch den Transistor 30 erfolgt also stets in der gleichen Richtung.

Ist der Transistor 30 abgeschaltet, d.h. wenn er sperrt, dann vermag durch die Schalteranordnung 1 kein Strom zu fließen, so daß der Eingang 2 vom Ausgang 3 abgetrennt ist. Ein am Eingang 2 anliegendes Wechselstromsignal wird durch die Dioden 21 und 12 während der positiven Halbwelle und durch die Dioden 22 und 11 während der negativen Halbwelle blockiert.

Die Ansteuerung des Transistors 30 und damit die Ansteuerung der Schaltereinheit 1 wird mittels einer Steuereinheit bewirkt, die nachfolgend beschrieben wird.

Der Ausgang der Steuereinheit 4 ist verbunden mit der Gate- und der Source-Elektrode des Transistors 30. Der Transistor 30 wird leitend,wenn an der Gate-Elektrode positives Potential anliegt. Die Steuereinheit 4 umfasst einen Kondensator 41 , der zwischen den Ausgangsleitungen der Steuereinheit 4 parallel mit einer Zenerdiode 42 und einem Widerstand 43 geschaltet ist. Die Kathode der Zenerdiode ist verbunden mit der Gate-Elektrode des Transistors 30. Zwischen der Parallelschaltung des Kondensators 41, der Diode 42 und dem Widerstand 43 und einer positiven Spannungsleitung 45 ist ein Transistor 44 geschaltet, dessen Emitter-Kollektorstrecke in Serie mit einem Widerstand 46 und einer Diode 47 geschaltet ist. Die Basis des Transistors 44 ist verbunden mit der Eingangsleitung 5 der Steuereinheit 4.

Ist das Potential in der Leitung 5 negativ, dann wird der Transistör 44 in den leitenden Zustand überführt. Ist

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das Signal am Eingang 2 negativ, dann fließt durch den Transistor 44 Strom, wodurch der Kondensator 41 aufgeladen wird. Der Transistor 30 in der Schaltereinheit 1 wird dadurch leitend. Es fließt Strom durch die Schaltereinheit. Wenn das Signal am Eingang 2 positiv wird, dann findet kein Stromfluß durch den Transistor 44 mehr statt, jedoch ist die Zeitkonstante des Kondensators 41 und des Widerstandes 43 so gewählt, daß der Transistor 30 während dieser positiven HaIbwelle im leitenden Zustand verbleibt. Es findet also nach wie vor ein Stromfluß durch die Schaltereinheit 1 statt.

Soll die Schaltereinheit 1 sperren, dann wird das Eingangssignal in der Leitung 5 der Steuereinheit 4 positiv gemacht, wodurch der Transistor 44 der Steuereinheit ständig sperrt. Im Kondensator 41 noch vorhandene Ladung wird ausgeglichen über den Widerstand 43, so daß das Gate-Potential des Transistors 30 unter den Einschaltschwellwert abfällt, somit der Transistor 30 und mit ihm auch die Schaltereinheit 1 sperrt.

Der Transistor 30 ist gegenüber am Eingangsanschluß 2 auftretenden Spannungsspitzen unempfindlich, so daß diese kein Schalten der Schalteranordnung bewirken können. Es ist möglich, daß beispielsweise elektrische Interferenzen einen anormalen Ausgang von der Steuereinheit 4 bewirken, durch die ein Ansteigen des Gate-Potentials des Transistors 30 erfolgen kann, das ausreichend ist, um den Transistor 30 und damit die Schaltereinheit 1 in den leitenden Zustand zu überführen. Der Transistor 30 jedoch bleibt nur so lange leitend, wie dieses Potential das Ennschaltpotential übersteigt, so daß der Transistor

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ο π q ι η ο λ

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augenblicklich sperrt, wenn der Einschaltschwel!wert unterschritten wird.

Die Notwendigkeit einer positiven Gleichstromleitung 45 kann vermieden werden, wenn , gem. Fig. 2 , der Emitter des Transistors 44 direkt mit dem Eingang 2 verbunden wird.

Es ist nicht erforderlich, die Dioden 11, 12, 21 oder 22 durch eine hohe Spannung vorzuspannen, damit sie leitend werden, bei der Schaltung sind daher Hochspannungsbauteile entbehrlich. Da die Eingangssignale zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 über einfach leitende Dioden erfolgt, besteht keine Begrenzung bezüglich der Größe der Eingangsspannung.

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Claims

DipL-Ing. ο c ο 1 η ')

Rolf Charter Jt)J IU^ I

Patentanwalt

Rehlingenstraße 8 · Postfach 260

D-8900 Augsburg 31
Telefon 0821/3 6015+3 6016

Telex 53 3 275

Postscheckkonto:München Nr. 154789-801 Απγπ.: Smiths Industries Public Lim!ted Company

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Ansprüche

Elektrischer Schalter mit einem Signaleingang und einem Signal ausgang, einem ersten Gleichrichterpaar, dessen Gleichrichter gegenpolig zueinander in Serie zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschaltet sind und einem zweiten Gleichrichterpaar, dessen Gleichrichter gegenpolig zueinander und gegenpolig und parallel zu dem ersten Gleichrichterpaar zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschaltet sind, dadurch gekennzei chn e t , daß zwischen den miteinander verbundenen Kathoden des einen Gleichrichterpaars und den miteinander verbundenen Anoden des anderen Gleichrichterpaars ein Transistorschalter (30) geschaltet ist, über den in seinem leitenden Zustand der Strom vom Eingang (2) zum Ausgang (3) über jeweils einen der Gleichrichter (11 und 22 oder 21 und 12) der Gleichrichterpaare (11, 12; 21, 22) fließt.
2. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzei cn η et , daß der Transistorschalter (30) ein MOSFET-Transi stör ist.
3« Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Dioden (11, 12, 21, 22) sind.

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4. Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorschalter (30) von einer Schaltsteuereinheit (4) angesteuert wird.
5. Elektrischer Schalter nach Anspruch 4, dadurch g e kennzei chnet, daß die Schaltsteuereinheit (4) einen Kondensator (41) umfasst, dessen Ladung den Schaltzustand des Transistorschalters (30) bestimmt.
6. Elektrischer Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuereinheit (4) einen Widerstand (43) umfasst, der parallel zum Kondensator (41) geschaltet ist, wobei die Zeitkonstante dieser RC-Kombination einen Wert aufweist, der größer ist als die Dauer einer Halbwelle einer am Eingang (2) anliegenden Wechselspannung.
7. Elektrischer Schalter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuereinheit (4) einen Schalter (44) aufweist, der die Ladung des Kondensators (41) steuert.
8. Elektrischer Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter aus einem Transistor (44) besteht.
9. Elektrischer Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (44) in Serie zwischen dem Kondensator (.41) und einer Gleichspannungsquelle geschaltet ist.

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