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Dokumentenidentifikation DE10125210B4 18.08.2005
Titel Schaltungsanordnungen zum Speisen einer Last
Anmelder Endress + Hauser GmbH + Co. KG, 79689 Maulburg, DE
Erfinder Meier, Jürgen, 79689 Maulburg, DE
Vertreter Andres, A., Pat.-Anw., 79576 Weil am Rhein
DE-Anmeldedatum 21.05.2001
DE-Aktenzeichen 10125210
Offenlegungstag 23.01.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.08.2005
IPC-Hauptklasse H03K 17/08
IPC-Nebenklasse H03K 17/72   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle liegenden Last mittels eines nicht-gate-abschaltbaren Thyristors, wobei ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang einer Gleichrichterschaltung liegt.

Aus der DE 37 037 76 A1, insb. deren 1, ist eine Schaltungsanordnung zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle 1 liegenden Last 2 mitteils eines nicht-gate-abschaltbaren Thyristors 4 bekannt, wobei

  • – ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung 3 und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung liegt,

    – von der ein positiver Ausgang über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors 5 mit einem ersten Anschluss eines Kondensators 12 sowie ein negativer Ausgang mit einem einen Schaltungsnullpunkt bildenden zweiten Anschluss des Kondensators verbunden ist,

    – wobei der erste Anschluss des Kondensators der Pluspol einer Gleichspannungsquelle Vc ist,
  • – die Anode des Thyristors 4 am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung 3 und die Kathode des Thyristors am Schaltungsnullpunkt liegen,

    – eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors 5 mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand 7 und einer Z-Diode 6 gebildeten Spannungsleiters gekoppelt ist,

    – der über einen Schalter zwischen dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung und dem Schaltungsnullpunkt liegt, und
  • – ein Ausgang eines an der Gleichspannungsquelle liegenden und einen Spannungssprung abgebenden Messumformers 9, 10 an einem Eingang eines Verzögerungsglieds 26, 27 angeschlossen ist.

Die bekannte Schaltung verfügt über einen Kurzschlussschutz, der mittels einer Stromdetektorschaltng 20 ausgelöst wird.

In der Last fließt dann Wechselstrom, wenn die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors mit dem positiven und dem negativen Ausgang der Gleichrichterschaltung gekoppelt ist und nachdem dem Gate des Thyristors ein Zündimpuls zugeführt worden ist.

Bei dieser Art von Schaltungsanordnungen wird der Thyristor jedoch zerstört, wenn zwischen den Anschlüssen der Last ein wesentlich kleinerer Widerstand als der Nennwiderstand der Last auftritt, insb. wenn also zwischen diesen Anschlüssen ein Kurzschluss auftritt.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, Schaltungsanordnungen zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle liegenden Last mittels eines nicht-gate-abschaltbaren Thyristors anzugeben, wobei ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang einer Gleichrichterschaltung liegt sowie die Anoden-Kathoden-Strecke des Thyristors mit dem positiven und dem negativen Ausgang der Gleichrichterschaltung gekoppelt und der Thyristor gegen Kurzschlüsse der Last geschützt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer ersten Variante der Erfindung in einer Schaltungsanordnung zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle liegenden Last mittels eines nicht-gate-abschaltbaren Thyristors, wobei

  • – ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung liegt,

    – von der ein positiver Ausgang über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors und die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode mit einem ersten Anschluss eines Kondensators sowie ein negativer Ausgang mit einem einen Schaltungsnullpunkt bildenden zweiten Anschluss des Kondensators verbunden ist,

    – wobei der erste Anschluss des Kondensators der Pluspol einer Gleichspannungsquelle ist,
  • – die Anode des Thyristors am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung und die Kathode des Thyristors am Schaltungsnullpunkt liegen,
  • – eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand und einer Z-Diode gebildeten Spannungsteilers gekoppelt ist,

    – der zwischen dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung und dem Schaltungsnullpunkt liegt,
  • – eine Serienschaltung aus dem gesteuerten Strompfad eines zweiten Transistors und einem Widerstand der Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors parallelgeschaltet ist,
  • – am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung ein erster Eingang eines ersten Komparators liegt, von dem

    – ein zweiter Eingang mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist und

    – ein Ausgang mit einem Takt-Eingang eines taktflanken-gesteuerten ersten Monoflops verbunden ist,
  • – ein Verbindungspunkt von zweitem Transistor und Widerstand an einem ersten Eingang eines zweiten Komparators liegt,

    – dessen zweitem Eingang eine konstante Referenzspannung zugeführt ist,
  • – ein Eingang einer Schaltstufe mit einem Ausgang des zweiten Komparators verbunden ist,
  • – ein Ausgang eines an der Gleichspannungsquelle liegenden und einen Spannungssprung abgebenden Messumformers an einem Eingang eines Verzögerungsglieds und an einem ersten Eingang eines UND-Glieds angeschlossen ist,

    – von dem ein zweiter Eingang mit einem Ausgang des ersten Monoflops verbunden ist,
  • – am Ausgang des UND-Glieds ein Eingang eines zweiten Monoflops liegt,

    – von dem ein Ausgangssignal eine Impulsdauer aufweist,
  • – ein erster Eingang eines Doppel-Schalters an einem Ausgang des zweiten Monoflops und ein zweiter Eingang des Doppel-Schalters an einem Ausgang des Verzögerungsglieds angeschlossen ist,

    – dessen Verzögerung größer als die Impulsdauer des zweiten Monoflops ist, und
  • – ein Ausgang der Schaltstufe mit einem Steuer-Eingang des Doppel-Schalters verbunden ist.

Die Lösung der genannten Aufgabe besteht bei einer zweiten Variante der Erfindung in einer Schaltungsanordnung zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle liegenden Last mittels eines ersten nicht-gate-abschaltbaren Thyristors, wobei

  • – ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung liegt,

    – von der ein positiver Ausgang über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors und die Anoden-Kathoden-Strecke einer ersten Diode mit einem ersten Anschluss eines Kondensators sowie ein negativer Ausgang mit einem einen Schaltungsnullpunkt bildenden zweiten Anschluss des Kondensators verbunden ist,

    – wobei der erste Anschluss des Kondensators der Pluspol einer Gleichspannungsquelle ist,
  • – die Anode des ersten Thyristors an der Anode der ersten Diode und dessen Kathode über einen ersten Widerstand am Schaltungsnullpunkt liegt,
  • – eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand und einer Z-Diode gebildeten Spannungsteilers gekoppelt ist,

    – der zwischen dem ersten Ausgang der Gleichrichterschaltung und dem Schaltungsnullpunkt liegt,
  • – an der Gleichspannungsquelle eine Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand, der Anoden-Kathoden-Strecke einer zweiten Diode, der Anoden-Kathoden-Strecke eines zweiten nicht-gate-abschaltbaren Thyristors und des gesteuerten Strompfads eines zweiten Transistors liegt,

    – wobei die Kathode der zweiten Diode und die Kathode der Z-Diode miteinander verbunden sind,
  • – die Kathode des ersten Thyristors an einem ersten Eingang eines Komparators liegt,

    – dessen zweitem Eingang eine konstante Referenzspannung zugeführt ist und

    – dessen Ausgang mit dem Gate des zweiten Thyristors verbunden ist,
  • – ein Ausgang eines an der Gleichspannungsquelle liegenden und einen Spannungssprung abgebenden Messumformers an einem Eingang einer ersten Schaltstufe angeschlossen ist,

    – deren Ausgang über einen ersten Schalter mit dem Gate des ersten Thyristors verbunden ist,
  • – die Anode der zweiten Diode am Eingang einer zweiten Schaltstufe liegt,

    – deren Ausgang mit einem Steuer-Eingang des ersten Schalters verbunden ist,
  • – ein dritter Widerstand die Gleichspannungsquelle mit einer Steuerelektrode des zweiten Transistors und über einen zweiten Schalter mit dem Schaltungsnullpunkt verbindet,

    – von dem ein Steuer-Eingang an einem Ausgang eines Verzögerungsglieds legt, von dem ein Eingang mit dem Ausgang der zweiten Schaltstufe verbunden ist.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der beiden Varianten der Erfindung sind die Transistoren N-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bei beiden Varianten sicher verhindert wird, dass der Thyristor bzw. der erste Thyristor, insb. durch einen Kurzschluss zwischen den Last-Anschlüssen, zerstört wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Funktionsgleiche Teile sind in unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt schematisch ein Schaltbild der ersten Variante der Erfindung, und

2 zeigt schematisch ein Schaltbild der zweiten Variante der Erfindung.

In 1 ist schematisch und teilweise in der Form eines Blockschaltbilds ein Ausführungsbeispiel der ersten Variante der Erfindung dargestellt. Die Schaltungsanordnung der 1 dient zum Speisen einer Last R, die z.B. ein Relais sein kann und die mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle AC angeschlossen ist. Ein zweiter Anschluss der Last R liegt an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung G und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle AC an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung G.

Die Gleichrichterschaltung G ist im Ausführungsbeispiel der 1 ein Brückengleichrichter mit vier Gleichrichtern G1, G2, G3, G4. Die Gleichrichter G1, G3 und die Gleichrichter G2, G4 sind jeweils gleichsinnig in Serie geschaltet und bilden eine jeweilige einander parallelgeschaltete Reihenschaltung. Die Kathoden der Gleichrichter G1, G2 bilden den positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung G, und die Anoden der Gleichrichter G3, G4 liegen am Schaltungsnullpunkt SN.

Die Anode eines nicht-gate-abschaltbaren Thyristors Ty liegt an einem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung G und dessen Kathode an einem negativen Ausgang der Gleichrichterschaltung G, der zugleich ein Schaltungsnullpunkt SN ist.

Der nicht-gate-abschaltbare Thyristor ist der "klassische" Thyristor und wurde lange vor dem heute als weiterem Thyristortyp bekannten gate-abschaltbaren Thyristor, dem sogenannten GTO, entwickelt und auf den Markt gebracht.

Der positive Ausgang der Gleichrichterschaltung G ist über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors T1 und die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode D mit einem ersten Anschluss eines Kondensators C verbunden, dessen zweiter Anschluss am Schaltungsnullpunkt SN liegt. Der Kondensator C wirkt als Glättungsstufe, so dass der erste Anschluss des Kondensators C der Pluspol einer Gleichspannungsquelle DC ist, deren Minuspol der Schaltungsnullpunkt SN ist.

Eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors T1 ist mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand Wv und einer Z-Diode Z gebildeten Spannungsteilers verbunden, der zwischen dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung G und dem Schaltungsnullpunkt SN liegt. Die Steuer-Elektrode liegt somit auf konstant stabilisiertem Potential, so dass der erste Transistor T1 als Serienregel-Transistor für die Spannung der Gleichspannungsquelle DC dient.

Der Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors Ty ist eine Serienschaltung aus dem gesteuerten Strompfad eines zweiten Transistors T2 und einem Widerstand W parallelgeschaltet.

Am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung G liegt ein erster Eingang eines ersten Komparators K1, von dem ein zweiter Eingang mit der Gleichspannungsquelle DC verbunden ist und ein Ausgang mit einem Takt-Eingang eines taktflanken-gesteuerten ersten Monoflops M1 verbunden ist.

Ein Verbindungspunkt von zweitem Transistor T2 und Widerstand W liegt an einem ersten Eingang eines zweiten Komparators K2, dessen zweitem Eingang eine konstante Referenzspannung Ur zugeführt ist. Ein Eingang einer Schaltstufe S ist mit einem Ausgang des zweiten Komparators K2 verbunden.

Ein Messumformer M ist an der Gleichspannungsquelle DC betrieben und gibt einen Spannungssprung ab, d.h. an einem entsprechenden Ausgang tritt ein Signal auf, z.B. eine Spannung, das entweder einen niederen oder einen hohen Pegel hat. Der Messumformer funktioniert also wie ein elektronischer Schalter, der eine Spannung oder einen Strom schaltet.

Welchen der beiden erwähnten Pegel das Signal annimmt und für jeweils wie lange, hängt von einer gemessenen physikalischen Größe ab. Diese kann z.B. ein Materialpegel in einem Behälter oder ein Flüssigkeitspegel in einem Kanal sein und wird mittels eines entsprechenden physikalisch-elektrischen Wandlers detektiert. Dieser kann z.B. ein übliches stimmgabel-artiges Schwingsystem sein.

Ein Ausgang des Messumformers M ist an einem Eingang eines Verzögerungsglieds Dy und an einem ersten Eingang eines UND-Glieds U angeschlossen, von dem ein zweiter Eingang mit einem Ausgang des ersten Monoflops M1 verbunden ist. An einem Ausgang des UND-Glieds U liegt ein Eingang eines zweiten Monoflops M2, das ein Ausgangssignal einer bestimmten Impulsdauer abgibt.

Ein erster Eingang eines Doppel-Schalters Sd ist an einem Ausgang des zweiten Monoflops M2 und ein zweiter Eingang des Doppel-Schalters ist an einem Ausgang des Verzögerungsglieds Dy angeschlossen, dessen Verzögerung größer als die Impulsdauer des zweiten Monoflops M2 ist. Ein Ausgang der Schaltstufe S ist mit einem Steuer-Eingang des Doppel-Schalters Sd verbunden.

Zum Verständnis der Funktionsweise der Schaltungsanordnung des Ausführungsbeispiel der 1 ist zunächst darauf zu verweisen, dass die Gleichrichterschaltung G aus der sinusförmigen Spannung der Wechselspannungsquelle AC bekanntlich eine Wechselspannung erzeugt, die aus aneinandergereihten Halbwellen der sinusförmigen Spannung besteht.

Ferner ist darauf zu verweisen, dass die Schaltung des Ausführungsbeispiel der 1 eine Normalfunktion hat, wenn die Last R nicht kurzgeschlossen ist, dagegen eine Schutzfunktion hat, wenn die Last R kurzgeschlossen ist.

Jeweils eine der beiden Funktionen tritt nur dann auf, wenn der Messumformer M den positiveren Pegel H seiner beiden Pegel abgibt und somit der Thyristor Ty leitend gesteuert werden soll, da aufgrund der gezeigten Polarität der Gleichrichterschaltung G und der Diode D die Spannung der Gleichspannungsquelle DC positiv ist.

Der H-Pegel des Messumformers M gelangt bei Normalfunktion über das Verzögerungsglied Dy und den einen geschlossenen Schalter s1 des Doppel-Schalters Sd solange an das Gate des Thyristors Ty, wie der H-Pegel dauert.

Der Thyristor Ty wird in Normalfunktion, wenn an seinem Gate eine ihn leitend steuernde Spannung vorhanden ist, also der erwähnte H-Pegel anliegt, in jeder der erwähnten Halbwellen gezündet und wieder gelöscht, wenn die Spannung der Halbwelle gegen Null geht. In der Last R fließt ein gewünschter Nennstrom I.

Wenn der Thyristor Ty dauernd nichtleitend ist, fließt in der Last R nur ein wesentlich geringerer Strom, nämlich praktisch derjenige Strom, den der Messumformer M und weitere gegebenenfalls an der Gleichspannungsquelle DC angeschlossene Teilschaltungen benötigen.

Der erwähnte Nennstrom I der Last R fließt auch durch den Widerstand W und den Transistor T2, wenn dieser leitend gesteuert ist. Von der Wechselspannungsquelle AC aus gesehen liegt dann nämlich während der positiven Halbwelle der Wechselspannung die Last R mit dem Gleichrichter G2, dem Transistor T2, dem Widerstand W und dem Gleichrichter G3 in Reihe; während deren negativer Halbwelle liegt dagegen die Last R mit dem Gleichrichter G4, dem Widerstand W, dem Transistor T2 und dem Gleichrichter G1 in Reihe.

Der Nennstrom I der Last R ist somit durch die Summe der Werte r, w der Last R und des Widerstands W bestimmt: I ist proportional zu 1/(r + w). Bei Kurzschluss der Last R ist r = 0, sodass ein gegenüber dem Nennstrom I größerer Kurzschluss-Strom Ik fließt: Ik ist proportional zu 1/w.

Ein wesentlicher Teil der erwähnten Schutzfunktion besteht darin, dass die Referenzspannung Ur am zweiten Eingang des Komparators K2 so gewählt ist, dass sie im Normalbetrieb größer als der vom Mennstrom I am Widerstand W erzeugte Spannungsabfall ist: Ur > wI und somit am Ausgang des Komparators K2 der negativere Pegel L seiner beiden Pegel entsteht. Bei kurzgeschlossener Last R erhöht sich am Widerstand W der Spannungsabfall auf w·Ik, sodass der Komparator K2 an seinem Ausgang den positiveren Pegel H der beiden Pegel erzeugt.

Dieser H-Pegel wird mittels der Schaltstufe S in ein Steuersignal für den Doppel-Schalter Sd umgeformt, sodass dessen beide Schalter s1, s2 geöffnet werden und der allfällig vorhandene H-Pegel des Messumformers M nicht mehr an das Gate des Thyristors Ty gelangen kann.

Es wurde oben bereits angedeutet, dass der Transistor T2 zeitweise leitend gesteuert wird. Dies erfolgt mittels des H-Pegels des Messumformers M, der dem einen Eingang des UND-Glieds U zugeführt ist; dessen Ausgang liegt über das Monoflop M2 am Eingang des Schalters s2 des Doppel-Schalters Sd.

Der H-Pegel des Messumformers M gelangt jedoch nur solange an den Ausgang des UND-Glieds U, wie an seinem zweiten Eingang ebenfalls ein H-Pegel liegt; Dieser wird periodisch wie folgt erzeugt. Jedesmal wenn die Ausgangssignal der Gleichrichteranordnung G größer als die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle DC wird – das ist in jeder der erwähnten Halbwellen einmal –, tritt am Ausgang des Komparators K1 ein H-Pegel auf, d.h. es entstehen hier periodisch Taktimpulse mit der Frequenz 100 Hz.

Da diese dem Takteingang des Monoflops M1 zugeführt sind, wird es durch die ansteigende Flanke dieser Taktimpulse angestoßen und gibt an seinem Ausgang Impulse ab, die eine Pulsdauer kleiner als 10 ms und wiederum die Frequenz 100 Hz haben. Nur während des jeweiligen H-Pegels dieser Impulse wird der H-Pegel des Messumformers M zur Steuer-Elektrode des Transistors T2 durchgeschaltet, d.h. dieser wird zwar während jeder der erwähnten Halbwellen leitend, aber nur während der kleiner als deren Dauer gewählten Impulsdauer des Ausgangssignals des Monoflops M2.

Zwei weitere wesentliche Teile der erwähnten Schutzfunktion bestehen nun darin, dass einerseits aufgrund der Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds Dy, die größer als die Impulsdauer des Monoflops M2 ist, der Thyristor Ty immer später als der Transistor T2 leitend gesteuert wird, und andererseits darin, dass bei Kurzschluss der Last R das Leitendsteuern sowohl des Thyristors Ty als auch des Transistors T2 wegen des erläuterten Öffnens des Doppel-Schalters solange unterbunden wird, wie der Kurzschluss dauert.

In 2 ist schematisch und teilweise in der Form eines Blockschaltbilds ein Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der Erfindung dargestellt. Die Schaltungsanordnung der 2 dient wie die der 1 zum Speisen einer Last R, die z.B. ein Relais sein kann und die mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle AC angeschlossen ist. Ein zweiter Anschluss der Last R liegt an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung G und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle AC an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung G, die in 2 wieder eine Gleichrichter-Brückenschaltung mit den wie in 1 angeordneten Gleichrichtern G1, G2, G3, G4 ist.

Ein positiver Ausgang der Gleichrichterschaltung G ist über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors T1' und die Anoden-Kathoden-Strecke einer ersten Diode D1 mit einem ersten Anschluss eines Kondensators C verbunden. Ein negativer Ausgang der Gleichrichterschaltung G ist mit einem zweiten Anschluss des Kondensators C verbunden. Der erste Anschluss des Kondensators C bildet den Pluspol einer Gleichspannungsquelle DC und dessen zweiter Anschluss einen Schaltungsnullpunkt SN.

Die Anode eines ersten nicht-gate-abschaltbaren Thyristors Ty1 liegt an der Anode der ersten Diode D1 und dessen Kathode über einen ersten Widerstand W1 am Schaltungsnullpunkt SN.

Eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors T1' ist mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand Wv und einer Z-Diode Z gebildeten Spannungsteilers verbunden, der zwischen dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung G und dem Schaltungsnullpunkt SN liegt.

Zwischen dem Pluspol der Gleichspannungsquelle DC und dem Schaltungsnullpunkt SN liegt eine Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand W2, der Anoden-Kathoden-Strecke einer zweiten Diode D2, der Anoden-Kathoden-Strecke eines zweiten nicht-gate-abschaltbaren Thyristors Ty2 und des gesteuerten Strompfads eines zweiten Transistors T2'. Die Kathode der zweiten Diode D2 und die Kathode der Z-Diode Z sind miteinander verbunden.

Die Kathode des ersten Thyristors Ty1 liegt an einem ersten Eingang eines Komparators K, dessen zweitem Eingang eine konstante Referenzspannung Ur zugeführt ist und dessen Ausgang mit dem Gate des zweiten Thyristors Ty2 verbunden ist.

Ein Messumformer M ist wieder an der Gleichspannungsquelle DC betrieben und gibt an einem entsprechenden Ausgang einen H-Pegel ab, wie dies oben bereits erläuter wurde. Dieser Ausgang ist mit einem Eingang einer ersten Schaltstufe S1 verbunden, deren Ausgang über einen ersten Schalter Sw1 mit dem Gate des ersten Thyristors Ty1 verbunden ist.

Die Anode der zweiten Diode D2 liegt am Eingang einer zweiten Schaltstufe S2, deren Ausgang mit einem Steuer-Eingang des Schalters Sw1 verbunden ist. Ein dritter Widerstand W3 verbindet die Gleichspannungsquelle DC mit einer Steuerelektrode des zweiten Transistors T2 und über einen zweiten Schalter Sw2 mit dem Schaltungsnullpunkt (SN). Ein Steuer-Eingang des Schalters Sw2 liegt an einem Ausgang eines Verzögerungsglieds Dy, von dem ein Eingang mit dem Ausgang der zweiten Schaltstufe S2 verbunden ist.

Bei der zweiten Variante der Erfindung nach 2 fließt in der Last R ein gewünschter Mennstrom I, wenn der erste Thyristor Ty1 leitend gesteuert ist; wenn er dagegen nichtleitend ist, fließt in der Last R nur ein wesentlich geringerer Strom, nämlich praktisch derjenige Strom, den der Messumformer M und weitere gegebenenfalls an der Gleichspannungsquelle DC angeschlossene Teilschaltungen benötigen.

Zum Verständnis der Funktionsweise der Schaltungsanordnung des Ausführungsbeispiel der 2 ist wieder zunächst darauf zu verweisen, dass die Gleichrichterschaltung G aus der sinusförmigen Spannung der Wechselspannungsquelle AC bekanntlich eine Wechselspannung erzeugt, die aus aneinandergereihten Halbwellen der sinusförmigen Spannung besteht. Ferner ist auch hier darauf zu verweisen, dass die Schaltung der 2 eine Normalfunktion hat, wenn die Last R nicht kurzgeschlossen ist, dagegen eine Schutzfunktion hat, wenn die Last R kurzgeschlossen ist.

Jeweils eine der beiden Funktionen tritt nur dann auf, wenn der Messumformer M den positiveren Pegel H seiner beiden Pegel abgibt und somit der Thyristor Ty1 während dieses H-Pegels leitend gesteuert werden soll, da aufgrund der gezeigten Polarität der Gleichrichterschaltung G und der Diode D1 die Spannung der Gleichspannungsquelle DC wieder positiv ist.

Der H-Pegel des Messumformers M gelangt bei Normalfunktion über die Schaltstufe S1 und den geschlossenen Schalter Sw1 solange an das Gate des Thyristors Ty1, wie der erwähnte H-Pegel dauert.

Der erläuterte Nennstrom I der Last R fließt im Ausführungsbeispiel der 2 durch den Widerstand W1 und den Thyristor Ty1, wenn dieser leitend gesteuert ist. Von der Wechselspannungsquelle AC aus gesehen liegt dann nämlich während der positiven Halbwelle der Wechselspannung die Last R mit dem Gleichrichter G2, dem Transistor T1', dem Thyristor Ty1, dem Widerstand W und dem Gleichrichter G3 in Reihe; während deren negativer Halbwelle liegt dagegen die Last R mit dem Gleichrichter G4, dem Widerstand W, dem Thyristor Ty1, dem Transistor T1' und dem Gleichrichter G1 in Reihe.

Der Nennstrom I der Last R ist somit durch die Summe der Werte r, w1 der Last R und des Widerstands W1 bestimmt: I ist proportional zu 1/(r + w1). Bei Kurzschluss der Last R ist r = 0, sodass ein gegenüber dem Nennstrom I größerer Kurzschluss-Strom Ik fließt: Ik ist proportional zu 1/(w1).

Ein wesentlicher Teil der erwähnten Schutzfunktion besteht darin, dass die Referenzspannung Ur am zweiten Eingang des Komparators K so gewählt ist, dass sie im Normalbetrieb größer als der vom Nennstrom I am Widerstand W1 erzeugte Spannungsabfall ist: Ur > I·w1 und somit am Ausgang des Komparators K der negativere Pegel L seiner beiden Pegel entsteht. Dieser L-Pegel kann den Thyristor Ty2 nicht leitend steuern, obwohl der Transistor T2' leitend gesteuert ist, da der Schalter Sw2 geöffnet ist und somit die Steuerelektrode des Transistors T2' über den Widerstand W3 an der Gleichspannungsquelle DC liegt.

Bei kurzgeschlossener Last R erhöht sich am Widerstand W1 der Spannungsabfall auf w1·Ik, sodass der Komparator K an seinem Ausgang den positiveren Pegel H der beiden Pegel erzeugt; dieser H-Pegel steuert den Thyristor Ty2 leitend, da auch Transistor T2' wie dargelegt leitend ist.

Ein weiterer Teil der erwähnten Schutzfunktion besteht darin, dass durch das Leitendwerden des Thyristors Ty2 die Steuer-Elektrode von Transistor T1' fast auf das Potenzial des Schaltungsnullpunkts gezogen wird, sodass dieser Transistor sperrt und den erwähnten Stromkreis für den Kurzschlussstrom unterbricht; dieser kann somit nicht durch den Thyristor Ty1 fließen und ihn zerstören.

Durch das Leitendwerden des Thyristors Ty2 wird auch der Eingang der Schaltstufe S2 fast auf das Potenzial des Schaltungsnullpunkts gezogen, sodass deren Ausgangssignal den Schalter Sw1 sofort öffnet und den Schalter Sw2 nach einer geringen Verzögerungszeit schließt. Dadurch wird einerseits der H-Pegel am Ausgang der Schaltstufe S1 vom Gate des Thyristors Ty1 getrennt und andererseits der Widerstand W3 sowie dei Steuer-Elektrode des Transistors T2' an den Schaltungsnullpunkt gelegt, sodass dieser gesperrt wird, wodurch der Thyristor Ty2 wieder sperrt.

In den 1 und 2 sind die Transistoren T1, T2, T1', T2' M-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, in 1 die Funktionen der Teilschaltungen Dy, K1, K2, M1, M2, S, Sd und U sowie in 2 die Funktionen der Teilschaltungen Dy, K, S1, S2, Sw1 und Sw2 durch einen jeweiligen Mikroprozessor zu realisieren, der entsprechend programmiert ist.


Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle (AC) liegenden Last (R) mittels eines nicht-gate-abschaltbaren Thyristors (Ty), wobei

    – ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung (G) und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung liegt,

    – von der ein positiver Ausgang über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors (T1) und die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode (D) mit einem ersten Anschluss eines Kondensators (C) sowie ein negativer Ausgang mit einem einen Schaltungsnullpunkt (SN) bildenden zweiten Anschluss des Kondensators verbunden ist,

    – wobei der erste Anschluss des Kondensators der Pluspol einer Gleichspannungsquelle (DC) ist,

    – die Anode des Thyristors am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung (G) und die Kathode des Thyristors am Schaltungsnullpunkt liegen,

    – eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors (T1) mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand (Wv) und einer Z-Diode (Z) gebildeten Spannungsteilers gekoppelt ist,

    – der zwischen dem positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung und dem Schaltungsnullpunkt liegt,

    – eine Serienschaltung aus dem gesteuerten Strompfad eines zweiten Transistors (T2) und einem Widerstand (W) der Anoden-Kathodenstrecke des Thyristors parallelgeschaltet ist,

    – am positiven Ausgang der Gleichrichterschaltung ein erster Eingang eines ersten Komparators (K1) liegt, von dem

    – ein zweiter Eingang mit der Gleichspannungsquelle (DC) verbunden ist und

    – ein Ausgang mit einem Takt-Eingang eines taktflanken-gesteuerten ersten Monoflops (M1) verbunden ist,

    – ein Verbindungspunkt von zweitem Transistor und Widerstand an einem ersten Eingang eines zweiten Komparators (K2) liegt,

    – dessen zweitem Eingang eine konstante Referenzspannung (Ur) zugeführt ist,

    – ein Eingang einer Schaltstufe (S) mit einem Ausgang des zweiten Komparators verbunden ist,

    – ein Ausgang eines an der Gleichspannungsquelle (DC) liegenden und einen Spannungssprung abgebenden Messumformers (M) an einem Eingang eines Verzögerungsglieds (Dy) und an einem ersten Eingang eines UND-Glieds (U) angeschlossen ist,

    – von dem ein zweiter Eingang mit einem Ausgang des ersten Monoflops (M1) verbunden ist,

    – am Ausgang des UND-Glieds ein Eingang eines zweiten Monoflops (M2) liegt,

    – von dem ein Ausgangssignal eine Impulsdauer aufweist,

    – ein erster Eingang eines Doppel-Schalters (Sd) an einem Ausgang des zweiten Monoflops und ein zweiter Eingang des Doppel-Schalters an einem Ausgang des Verzögerungsglieds (Dy) angeschlossen ist,

    – dessen Verzögerung größer als die Impusdauer des Ausgangssignals des zweiten Monoflops ist, und

    – ein Ausgang der Schaltstufe (S) mit einem Steuer-Eingang des Doppel-Schalters verbunden ist.
  2. Schaltungsanordnung zum Speisen einer mit einem ersten Anschluss an einem ersten Pol einer Wechselspannungsquelle (AC) liegenden Last (R) mittels eines ersten nicht-gate-abschaltbaren Thyristors (Ty1), wobei

    – ein zweiter Anschluss der Last an einem ersten Eingang einer Gleichrichterschaltung (G) und ein zweiter Pol der Wechselspannungsquelle an einem zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung liegt,

    – von der ein positiver Ausgang über den gesteuerten Strompfad eines ersten Transistors (T1') und die Anoden-Kathoden-Strecke einer ersten Diode (D1) mit einem ersten Anschluss eines Kondensators (C) sowie ein negativer Ausgang mit einem einen Schaltungsnullpunkt (SN) bildenden zweiten Anschluss des Kondensators verbunden ist,

    – wobei der erste Anschluss des Kondensators der Pluspol einer Gleichspannungsquelle (DC) ist,

    – die Anode des ersten Thyristors (Ty1) an der Anode der ersten Diode (D1) und dessen Kathode über einen ersten Widerstand (W1) am Schaltungsnullpunkt liegt,

    – eine Steuer-Elektrode des ersten Transistors (T1') mit einem Abgriff eines von einem Vorwiderstand (Wv) und einer Z-Diode (Z) gebildeten Spannungsteilers gekoppelt ist,

    – der zwischen dem ersten Ausgang der Gleichrichterschaltung (G) und dem Schaltungsnullpunkt (SN) liegt,

    – an der Gleichspannungsquelle (DC) eine Serienschaltung aus einem zweiten Widerstand (W2), der Anoden-Kathoden-Strecke einer zweiten Diode (D2), der Anoden-Kathoden-Strecke eines zweiten nicht-gate-abschaltbaren Thyristors (Ty2) und des gesteuerten Strompfads eines zweiten Transistors (T2') liegt,

    – wobei die Kathode der zweiten Diode und die Kathode der Z-Diode miteinander verbunden sind,

    – die Kathode des ersten Thyristors (Ty1) an einem ersten Eingang eines Komparators (K) liegt,

    – dessen zweitem Eingang eine konstante Referenzspannung (Ur) zugeführt ist und

    – dessen Ausgang mit dem Gate des zweiten Thyristors (Ty2) verbunden ist,

    – ein Ausgang eines an der Gleichspannungsquelle (DC) liegenden und einen Spannungssprung abgebenden Messumformers (M) an einem Eingang einer ersten Schaltstufe (S1) angeschlossen ist,

    – deren Ausgang über einen ersten Schalter (Sw1) mit dem Gate des ersten Thyristors (Ty1) verbunden ist,

    – die Anode der zweiten Diode (D2) am Eingang einer zweiten Schaltstufe (S2) liegt,

    – deren Ausgang mit einem Steuer-Eingang des ersten Schalters (Sw1) verbunden ist,

    – ein dritter Widerstand (W3) die Gleichspannungsquelle (DC) mit einer Steuerelektrode des zweiten Transistors (T2') und über einen zweiten Schalter (Sw2) mit dem Schaltungsnullpunkt (SN) verbindet,

    – von dem ein Steuer-Eingang an einem Ausgang eines Verzögerungsglieds (Dy) liegt, von dem ein Eingang mit dem Ausgang der zweiten Schaltstufe (S2) verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Transistoren (T; T1', T2') N-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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