DE9206856U1 - Semiconductor switches, especially for use in mining - Google Patents

Description

Siemens AktiengesellschaftSiemens AG

Halbleiterschalter, insbesondere für den Einsatz im BergbauSemiconductor switches, especially for use in mining

Zur galvanischen, eigensicheren Trennung von Steuer- und Lastkreisen werden häufig elektromechanisch^ Relais eingesetzt, die hinsichtlich der Isolierung zwischen Wicklung und Schaltkontakten sowie deren Zuleitungen bestimmte Forderungen, wie Mindestabstände, erfüllen müssen. Die meisten der bekannten elektromechanischen Relais benötigen Ansteuerleistungen von mehr als 80 mW, die im allgemeinen bei ferngespeisten Systemen wegen der dort angestrebten Minimierung des Stromverbrauches in der Regel nicht tragbar sind.Electromechanical relays are often used for the galvanic, intrinsically safe separation of control and load circuits. These relays must meet certain requirements, such as minimum distances, with regard to the insulation between the winding and the switching contacts and their supply lines. Most of the known electromechanical relays require control power of more than 80 mW, which is generally not acceptable in remotely powered systems due to the aim of minimizing power consumption.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterschalter zu schaffen, der sich bei eigensicherer, galvanischer Trennung von Steuer- und Lastkreis durch eine geringe Steuerleistung auszeichnet.The present invention is based on the object of creating a semiconductor switch which is characterized by low control power with intrinsically safe, galvanic isolation of control and load circuits.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Maßnahmen gelöst.According to the invention, this object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claims 1 and 2.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Weiterbildungen näher beschrieben und erläutert.The invention as well as refinements and developments are described and explained in more detail below with reference to the drawing, in which an embodiment is shown.

In der Figur ist das Schaltbild eines Wechselschalters dargstellt, der aus zwei praktisch übereinstimmenden Kanälen besteht, wobei jeder Kanal einen Einfachschalter bildet. Zur Erläuterung der Erfindung wird zunächst nur der im oberen Teil der Zeichnung dargestellte Kanal beschrieben. An einen Eingang E sind die Versorgungsspan-The figure shows the circuit diagram of a changeover switch that consists of two practically identical channels, with each channel forming a single switch. To explain the invention, only the channel shown in the upper part of the drawing is described first. The supply voltages are connected to an input E.

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nungseingänge von Verstärkern Vl, V2 sowie eines Oszillators OS angeschlossen. Wird dem Eingang E das Binärsignal "L" zugeführt, erhalten die drei genannten Bauelemente keine Versorgungsspannung, sie sind abgeschaltet. Im Falle von "H"-Signal springt der Oszillator OS an, sein Ausgangssignal, eine hochfrequente Wechselspannung, wird, vom Verstärker V2 invertiert, einerseits über einen Kondensator C2 dem einen Anschluß der Primärwicklung eines Übertragers Ü zugeführt, andererseits dem Eingang eines zweiten invertierten Verstärkers Vl, dessen Ausgangssignal über einen Kondensator Cl dem zweiten Anschluß der Primärwicklung zugeführt ist. Im Prinzip könnte die Primärwicklung direkt an den Oszillator OS angeschlossen sein; jedoch hat die Zwischenschaltung der Verstärker Vl, V2 den Vorteil, daß der Signalhub an der Primärwicklung verdoppelt wird. Die an der Sekundärwicklung auftretende Spannung, das Übersetzungsverhältnis des Übertragers Ü sei Eins, wird mit einem aus zwei Schottky-Dioden aufgebauten Spitzenwert-Gleichrichter GL gleichgerichtet. Die gleichgerichtete, mit einem Kondensator C3 gesiebte Spannung gelangt über einen Schutzwiderstand R an die Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors FET. Eine Zenerdiode Z dient als Schutz gegen Überspannung. Mit den Drain- bzw. Source-Elektrode des Feldeffekttransistors FET sind über Dioden Dl, D3 bzw. D2, D4 Ausgänge Al, AO verbunden, an die eine Reihenschaltung aus einem Lastwiderstand RLl und einer Wechselspannungsquelle SQ angeschlossen ist. Da der Feldeffekttransistor FET vom MOSFET-Typ ist, kann er nur unipolare Spannungen schalten, so daß zum Schalten von Wechselspannungen die Diodenbrücke Dl ... DA eingesetzt ist. Damit ist gleichzeitig ein verpolungssicherer Gleichspannungsanschluß vorhanden. Mit dem Übertrager U wird eine galvanische, eigensichere Trennung zwischen dem Steuerkreis mit dem Eingang E und dem Lastkreis mit den Ausgängen Al, AO erreicht.voltage inputs of amplifiers Vl, V2 and an oscillator OS. If the binary signal "L" is fed to input E, the three components mentioned do not receive any supply voltage, they are switched off. In the case of an "H" signal, the oscillator OS starts up, its output signal, a high-frequency alternating voltage, is inverted by the amplifier V2 and fed via a capacitor C2 to one connection of the primary winding of a transformer Ü, on the one hand, and to the input of a second inverted amplifier Vl, whose output signal is fed via a capacitor Cl to the second connection of the primary winding. In principle, the primary winding could be connected directly to the oscillator OS; however, the intermediate connection of the amplifiers Vl, V2 has the advantage that the signal swing at the primary winding is doubled. The voltage occurring at the secondary winding, the transformation ratio of the transformer Ü being one, is rectified with a peak value rectifier GL made up of two Schottky diodes. The rectified voltage, filtered with a capacitor C3, reaches the control electrode of a field effect transistor FET via a protective resistor R. A Zener diode Z serves as protection against overvoltage. Outputs Al, AO are connected to the drain and source electrodes of the field effect transistor FET via diodes Dl, D3 and D2, D4, respectively, to which a series circuit consisting of a load resistor RLl and an AC voltage source SQ is connected. Since the field effect transistor FET is of the MOSFET type, it can only switch unipolar voltages, so that the diode bridge Dl ... DA is used to switch AC voltages. This also provides a DC voltage connection that is protected against polarity reversal. The transformer U achieves a galvanic, intrinsically safe isolation between the control circuit with the input E and the load circuit with the outputs Al, AO.

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G 4 4 / 8 G4 4 / 8

Wie schon erwähnt, ist im Falle eines Wechselschalters mit dem z. B. an die Spannungsquelle SQ wahlweise der Lastwiderstand RLl oder ein zweiter Lastwiderstand RL2 geschaltet werden soll, ein zweiter Kanal vorhanden, der in der Figur in der unteren Hälfte als Schaltbild dargestellt ist und mit dem in der oberen Hälfte dargestellten übereinstimmt. Er weist einen Eingang E¹ und zwei Ausgänge AO¹, Al' auf, wobei der Ausgang Al¹ mit dem Ausgang AO des ersten Kanals verbunden ist. Den Eingängen E, E¹ wird ein Gegentaktsignal zugeführt, so daß beim einen binären Signalzustand der Oszillator OS und die Verstärker Vl, V2 eingeschaltet und ein Oszillator OS¹ und zwei Verstärker Vl¹, V2' des zweiten Kanals gesperrt sind. Der Feldeffekttransistor FET ist dann, wie oben beschrieben, durchgeschaltet und die Last RLl ist an die Spannungsquelle SQ gelegt. Im anderen Signalzustand sind der Oszillator OS und die Verstärker Vl, V2 gesperrt und der Oszillator OS¹ mit den Verstärkern Vl¹ und V2' durchgeschaltet. In diesem Falle ist ein Feldeffekttransistor FET¹ durchgeschaltet, der die Last RL2 an die Spannungsquelle SQ legt.As already mentioned, in the case of a changeover switch with which, for example, the load resistor RL1 or a second load resistor RL2 can be connected to the voltage source SQ, a second channel is present which is shown as a circuit diagram in the lower half of the figure and corresponds to the one shown in the upper half. It has an input E ¹ and two outputs AO ¹ , Al', with the output Al ¹ being connected to the output AO of the first channel. A push-pull signal is fed to the inputs E, E ¹ so that in a binary signal state the oscillator OS and the amplifiers Vl, V2 are switched on and an oscillator OS ¹ and two amplifiers Vl ¹ , V2' of the second channel are blocked. The field effect transistor FET is then switched on as described above and the load RL1 is connected to the voltage source SQ. In the other signal state, the oscillator OS and the amplifiers Vl, V2 are blocked and the oscillator OS ¹ with the amplifiers Vl ¹ and V2' are switched through. In this case, a field effect transistor FET ¹ is switched through, which connects the load RL2 to the voltage source SQ.

Ein derartiger Schalter kann wie ein Relais eingesetzt werden, benötigt aber am Eingang E, E¹ nur einen geringen Steuerstrom von z. B. maximal 3 mA, kann aber dennoch Lasten bis z. B. 90 V und mehr als 1 A schalten. Da der Übertrager die einzige Schnittstelle zwischen Steuer- und Lastkreis ist und nur eine Frequenz übertragen muß, ist die Forderung nach einer eigensicheren Trennung von Steuer- und Lastkreis leicht zu erfüllen.Such a switch can be used like a relay, but requires only a small control current of e.g. a maximum of 3 mA at the input E, E ¹ , but can still switch loads up to e.g. 90 V and more than 1 A. Since the transformer is the only interface between the control and load circuits and only has to transmit one frequency, the requirement for intrinsically safe separation of the control and load circuits is easy to meet.

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Claims (4)

G h h 1 &dgr; SchutzansprücheG h h 1 &dgr; Protection claims 1. Haltleiterschalter, insbesondere für den Einsatz im Bergbau, mit einem Steuerkreis und einem davon galvanisch eigensicher getrennten Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet , daß zur eigensicheren, galvanischen Trennung von Steuerkreis und Lastkreis ein Übertrager vorhanden ist, dessen Primärwicklung einem Oszillator (OS) nachgeschaltet ist, der mit dem dem Steuerkreis zugeführten Steuersignal ein- und ausschaltbar ist, und an dessen Sekundärwicklung ein Gleichrichter (GL) angeschlossen ist, der die Steuerspannung für einen das Schaltelement bildenden Feldeffekttransistor erzeugt.1. Semiconductor switch, in particular for use in mining, with a control circuit and a circuit that is galvanically intrinsically safe and separated from it, characterized in that a transformer is provided for the intrinsically safe, galvanic separation of the control circuit and load circuit, the primary winding of which is connected to an oscillator (OS) that can be switched on and off with the control signal supplied to the control circuit, and to the secondary winding of which a rectifier (GL) is connected, which generates the control voltage for a field effect transistor forming the switching element. 2. Halbleiterschalter, insbesondere für den Einsatz im Bergbau, mit einem Steuerkreis und einem davon galvanisch eigensicher getrennten Lastkreis, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übertrager (Ü, U¹) vorhanden sind, deren Primärwicklungen jeweils einem ein- und ausschaltbaren Oszillator (OS, OS¹) nachgeschaltet sind, daß das dem Steuerkreis zugeführte Steuersignal ein Gegentaktsignal ist, mit dem die Oszillatoren (OS, OS¹) wechselweise ein- und ausgeschaltet werden, daß an die Sekundärwicklungen der Übertrager (Ü, U') je ein Gleichrichter angeschlossen ist, der die Steuerspannung für einen Feldeffekttransistor (FET, FET¹) erzeugt, daß die Drain-Source-Strecken der Feldeffekttransistoren im Lastkreis liegen und in Reihe geschaltet sind und daß an der die Feldeffekttransistoren verbindenden Leitung ein Ausgangsanschluß (AO) angeschlossen ist.2. Semiconductor switch, in particular for use in mining, with a control circuit and a load circuit which is galvanically intrinsically safe and separated therefrom, characterized in that two transformers (Ü, U ¹ ) are present, the primary windings of which are each connected downstream of an oscillator (OS, OS ¹ ) which can be switched on and off, that the control signal fed to the control circuit is a push-pull signal with which the oscillators (OS, OS ¹ ) are alternately switched on and off, that a rectifier is connected to each of the secondary windings of the transformers (Ü, U'), which rectifier generates the control voltage for a field effect transistor (FET, FET ¹ ), that the drain-source paths of the field effect transistors are in the load circuit and are connected in series, and that an output connection (AO) is connected to the line connecting the field effect transistors. 3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Oszillator (OS, OS¹) ein Gegentaktverstärker (Vl, V2; Vl¹, V2') angeschlossen ist und das erzeugte Gegentaktsignal der Primärwicklung des Übertragers (U, ܹ) zugeführt ist.3. Semiconductor switch according to claim 1 or 2, characterized in that a push-pull amplifier (Vl, V2; Vl ¹ , V2') is connected to the oscillator (OS, OS ¹ ) and the push-pull signal generated is fed to the primary winding of the transformer (U, Ü ¹ ). 03 0103 01 B2G 4 4 &iacgr; &dgr; B2G 4 4 δ &dgr; 4. Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors (FET, FET¹) in der Diagonalen einer in den Lastkreis geschalteten Diodenbrucke (Dl, D2, D3, DA) geschaltet ist.4. Semiconductor switch according to one of claims 1 to 3, characterized in that the drain-source path of the field effect transistor (FET, FET ¹ ) is connected in the diagonal of a diode bridge (Dl, D2, D3, DA) connected in the load circuit. 03 0203 02