DE2738186A1

DE2738186A1 - Nullschaltspannungs-festkoerper-relais

Info

Publication number: DE2738186A1
Application number: DE19772738186
Authority: DE
Inventors: Isamu Komatsu; Toru Sugawara; Tsukasa Yamauchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1976-09-06
Filing date: 1977-08-24
Publication date: 1978-03-09
Also published as: DE2738186B2; JPS5331952A; DE2738186C3; JPS5725089B2; US4176288A

Description

Die Erfindung betrifft ein NuIIschaltspannungs-Festkörper-Relais nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter einem Festkörper-Relais wird im folgenden eine Festkörper-Schalteinheit verstanden, die einen gesteuerten Halbleitergleichrichter bzw. ein Ventil, wie z. B. einen Photothyristor, einen Thyristor und ein licht-gesteuertes wechselstrom-führendes Bauelement (im folgenden als lichtgesteuertes Wechselstrom-Bauelement bezeichnet), durch ein äußeres Steuersignal zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom zündet.

680-(IH. 236-H. 1661I)-KoE

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Ein Beispiel für ein derartiges Festkörper-Relais ist eine Festkörper-Schalteinheit mit einem Optokoppler.

Unter Festkörper-Schalteinheit mit Optokoppler wird im folgenden eine Schalteinheit verstanden, bei der ein lichtemittierendes Bauelement, wie z. B. eine Leuchtdiode, Licht bei einem äußeren Steuersignal emittiert, und das Licht wird durch einen Lichtempfänger, wie z. B. einen Photothyristor, empfangen, um diesen zu zünden und eine Last mit Wechselstrom zu versorgen.

Das Nullschaltspannungs-FestkÖrper-Relais wird anhand einer Festkörper-Schalteinheit mit Optokoppler näher erläutert. Wenn ein vorbestimmtes elektrisches Eingangssignal an Eingangsanschlüssen liegt, emittiert eine Leucht diode Licht in einer dem elektrischen Eingangssignal entsprechenden Menge. Ein entgegengesetzt zur Leuchtdiode vorgesehener Photothyristor empfängt das Licht und wird leitend. Nach Leiten des Photothyristors bilden eine Last, eine Wechselstromquelle, der Photothyristor und eine Diodenbrücke an den Ausgangsanschlüssen der Festkörper-Schalteinheit einen geschlossenen Stromkreis, so daß Strom durch die Last fließt.

Die Festkörper-Schalteinheit ist mit einer NuIlspannungs-Schalteinheit aus einem Traneistor und einem Widerstand ausgestattet. Der Photothyristor wird nur gezündet, wenn die Spannung der Wechselstromquelle nahe Null ist, und er arbeitet nicht, wenn die Spannung groß ist. Wenn demgemäß das von der Leuchtdiode eintretende Licht ausreicht und wenn die Spannung der Wechselstromquelle nahe Null ist, wird der Photothyristor gezündet, damit der Laststrom durch die Last fließen kann, so daß die NuIlspannungs-Funktion erfüllt ist.

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Eine derartige Schaltungsanordnung mit einem Optokoppler für eine Nullschaltspannungs-Schalteinheit ist bekannt (US-PS 3 8l6 763).

Die Nullschaltspannungs-Schalteinheit arbeitet auch hinsichtlich des Aushalte- oder Stehwertes der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (dV/dt) wirkungsvoll. D. h., wenn elektrisches Rauschen von außen der Wechselstromquelle überlagert wird, zündet der Photothyristor durch das elek trische Rauschen. Wenn jedoch der Transistor in der NuIlschaltspannungs-Schalteinheit durch das elektrische Rauschen leitend wird, ist es schwierig, den Photothyristor zu zünden. Daher wird der Stehwert dV/dt der Schalteinheit stark verbessert.

Demgemäß hat das Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais die Nullschaltspannungs-Funktion und den hohen Stehwert dV/dt. Jedoch liegt beim Schalten kein Hysterese Verhalten vor.

D. h., beim Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais sind der leitende und der nichtleitende Zustand um einen bestimmten Punkt des Wertes des Eingangs-Steuersignales umgekehrt. Der leitende und der nichtleitende Zustand werden daher durch geringe Änderung des Eingangssignales oder Änderung der Umgebungstemperatur umgekehrt, so daß die Stabilität gering ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach aufgebautes Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais der eingangs angegebenen Art mit erhöhtem Stehwert der Spannungsanstiegageechwindigkeit und Schalten mit Hysterese-Verhalten anzugeben.

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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Reihenschaltung parallel zu einem Widerstand vorgesehen ist, der zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors in einer Nullschaltspannungs-Schalteinheit liegt. Sie ist auf eine Festkörper-Schalteinheit mit einem durch ein äußeres Steuersignal zündbaren gesteuerten Halbleitergleichrichter bzw. Ventil zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom oder auf einen durch ein äußeres Steuersignal zündbaren gesteuerten Halbleitergleichrichter bzw. Ventil anwendbar, um dadurch ein gesteuertes Wechselstrom-Bauelement zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom zu zünden. Unter gesteuerter Halbleitergleichrichter bzw. Ventil wird dabei ein Photothyristor, ein Thyristor, ein licht-gesteuertes Wechselstrom-Bauelement usw. verstanden.

Die Erfindung betrifft also ein Pestkörper-Relais oder einen gesteuerten Schalter zum Verbinden einer Wechselstromquelle mit einer Last, d. h., eine Festkörper-Schalteinheit, bei der ein gesteuerter Halbleitergleichrichter bzw. ein Ventil, wie z. B. ein Photothyristor, ein Thyristor und ein licht-gesteuertes Wechselstrom-Bauelement, durch ein äußeres Steuersignal gezündet wird, um eine Last mit Wechselstrom zu versorgen, wobei die Eigenschaften der Nullschaltspannungs-Schalteinheit beim Schalten vorzugsweise dann verbessert sind, wenn der Momentan-Wert der Amplitude der Versorgungsspannung des Wechsellaststromes Null oder nahezu Null ist.

Erfindungsgemäß sind eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Reihenschaltung sowie ein weiterer Widerstand parallel zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors in der Nullschaltspannungs-Schalteinheit vorgesehen. Dadurch wird ein Nullschalt-

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spannungs-Festkörper-Relais ermöglicht, dessen Stehspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit erhöht ist und das mit Hysterese-Verhalten schaltet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Nullschalt spannungs -Pestkörper- Relais,

Fig. 2 die Beziehungen verschiedener Eigenschaften der Werte eines Widerstandes und eines Kondensators einer Festkörper-Schalteinheit im Schaltbild der Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren AusfUhrungsbeispiels der Erfindung mit einem Nullschalt spannungs-Festkörper-Relais zum Steuern von Hochstrom,

Fig. 1 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Photothyristor als Lichtempfänger, und

Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem lichtgesteuerten Wechselstrom-Bauelement als Lichtempfänger.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines AusfUhrungsbeispiels der Erfindung, bei dem das erfindungsgemäße Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais für eine Festkörper-Schaltein-

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heit mit Optokoppler verwendet wird.

Wenn ein vorbestimmtes elektrisches Eingangssignal an Eingangsanschlüssen 1 und 2 liegt, emittiert eine Leuchtdiode 3 Licht mit einer dem elektrischen Eingangssignal entsprechenden Lichtmenge. Ein entgegengesetzt zur Leuchtdiode 3 angeordneter Photothyristor k empfängt das Licht und wird leitend. Wenn der Photothyristor h leitet, bilden eine Last 11 und eine Wechselstromquelle 12, die an Ausgangsanschlüssen 9 und 10 der Pestkörper-Schalteinheit liegen, sowie der Photothyristor 4 und eine Diodenbrücke 8 einen geschlossenen Stromkreis, so daß Strom durch die Last 11 fließt.

Die Festkörper-Schalteinheit ist mit einer NuIlschaltspannungs-Schalteinheit aus einem NPN-Transistor 5 und Widerständen 6 und 7 ausgestattet. Die Nullschaltspannungs-Schalteinheit zündet den Photothyristor 4 nur dann, wenn die Spannung der Wechselstromquelle 12 nahe Null ist, und sie zündet den Photothyristor M nicht, wenn die Spannung groß ist. Auf diese Weise vermindert sie beim Schalten entstehendes elektrisches Rauschen. Weiterhin sind der Steueranschluß und die Kathode des Photothyristors Ί mit dem Kollektor bzw. dem Emitter des Transistors 5 verbunden. Wenn der Transistor 5 leitet, liegt Kurzschluß zwischen dem Steueranschluß und der Kathode des Photothyristors 4 vor, so daß dieser nicht zündet, selbst wenn er eine ausreichende Lichtmenge von der Leuchtdiode 3 empfängt. Wenn andererseits der Transistor 5 nicht leitet, ist der Photothyristor 4 nicht der Beschränkung durch den Transistor 5 unterworfen, so daß er bei ausreichend großer Menge empfangenen Lichtes gezündet wird. Ob der Transistor 5 leitet oder nicht leitet, wird durch die Spannungen an den Widerständen 6 und 7 bestimmt,

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d. h. durch die der Zweiweggleichrichtung durch die Diodenbrücke 8 ausgesetzte Wechselspannung von der Wechselstromquelle 12. Wenn diese Spannung einen Wert hat, der ausreicht, um den Transistor 5 leitend zu machen, wird der Photothyristor 4 nicht gezündet, selbst wenn er eine ausreichende Lichtmenge empfängt. Folglich wird der Photothyristor 4 nur dann gezündet und es fließt nur dann ein Laststrom durch die Last 11, wenn das von der Leuchtdiode 3 eintretende Licht ausreicht und die Spannung der Wechselstromquelle 12 nahe Null ist.

Wenn die Nullschaltspannungs-Schalteinheit lediglich aus dem Transistor 5 und den Widerständen 6 und 7 besteht, hat die Pestkörper-Schalteinheit den Nachteil, daß kein Hysterese-Verhalten beim Schalten auftritt (vgl. oben), obwohl sie mit Nullschaltspannungs-Funktion und großer Stehspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit ausgestattet ist.

Um das Schalten mit Hysterese-Verhalten zu versehen, wurde z. B. bereits angeregt, einen Schmitt-Trigger auf der Eingangsseite zu verwenden.

Weiterhin wurde vom Erfinder bereits eine Schaltungsanordnung entwickelt, bei der lediglich ein Kondensator parallel zum Widerstand 7 der obigen Festkörper-Schalteinheit vorgesehen ist, um so das Hysterese-Verhalten aufzubauen.

Im folgenden wird das Prinzip dieser Schaltungsanordnung näher erläutert. Die Spannungen, die an den Widerständen 6 und 7 liegen und diesen zugeordnet sind, sind zeitlich verschieden, wenn Strom bzw. kein Strom durch die Last fließt. Dadurch ist die im Kondensator gespeicherte Ladungsmenge unterschiedlich, und dieser Unterschied tritt in der Impedanz des Transistors 5 auf.

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Demgemäß ändert sich die Zündempfindlichkeit des Photothyristors 4, und es tritt Hysterese-Verhalten auf. Da mit dieser Schaltungsanordnung der oben aufgezeigte Zweck durch Zuschalten eines Kondensators erreicht werden kann, ist sie viel einfacher aufgebaut als der Schmitt-Trigger. Das Zuschalten des Kondensators verringert jedoch den Stehwert der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit (Stehwert dV/dt) Wenn nämlich ein sehr schnelles elektrisches Rauschen auftritt, fließt dieses auf der Kondensatorseite und nicht durch die Basis und den Emitter des Transistors 5, so daß die Impedanz des Transistors 5 nicht verringert wird und der Photothyristor 4 leicht zündet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 13 und einem Widerstand 14 der Pestkörper-Schalteinheit aus dem Transistor 5 und den Widerständen 6 und 7 zugeschaltet ist. Auch bei dieser Festkörper-Schalteinheit emittiert die Leuchtdiode 3 Licht bei Einspeisung des elektrischen Eingangssignales, und der Photothyristor 4, der das Licht empfangen hat, zündet, damit der Laststrom durch die Last 11 fließen kann. Bei der oben erläuterten Schaltung wird jedoch das Hysterese-Verhalten dadurch erzielt, daß die im Kondensator 13 gespeicherten Ladungsmengen zeitlich verschieden sind, wenn der Laststrom fließt bzw. nicht fließt. Selbst wenn weiterhin schnelles elektrisches Rauschen einwirkt, fließt es auch durch die Basis und den Emitter des Transistors 5 wegen des Widerstandes 14, um die Impedanz des Transistors 5 zu verringern. Deshalb ist der Photothyristor 4 schwierig zu zünden, und es zeigt sich ein großer Stehwert dV/dt. Als Beispiel sollen die Fälle verglichen werden, in denen der Widerstand 14 in der Festkörper-Schalteinheit der Fig. 1 vorhanden bzw. nicht vorhanden ist. Es sei angenommen, daß die Kapazität des Kondensators 13

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0,01 .uP und der Widerstandswert des Widerstandes 14 10 k TL betragen, und daß der Stehwert dV/dt unter 10 V/-us ohne den Widerstand 14 ist und über 100 V/.us mit Widerstand 14 erhöht wird. Als Beispiel für den Wertebereich des Kondensators 13 und des Widerstandes 14, der den Stehwert dV/dt erfüllt, sind in Fig. 2 die NuIlschaltspannungs-Funktion und die Hysterese-Kurve dargestellt. In der Fig. 2 sind auf der Abszisse die Kapazität (in .uF) des Kondensators 13 und auf der Ordinate der Widerstandswert (in k il) des Widerstandes 14 aufgetragen. Dabei sind vorgesehen ein Bereich A, in dem der Stehwert dV/dt wenigstens 100 V/.us beträgt, ein Nullspannungs-Startbereich B und ein Hysterese-Schaltbereich C. Eine Zone D, in der sich diese Bereiche überlappen (schraffiert dargestellt), ist eine gute Betriebszone für das erfindungsgemäße Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem für einen Hochstrom durch die Last 11 zusätzlich zur Schaltung der Fig. 1 ein gesteuertes Wechselstrom-Bauelement 15 vorgesehen ist, und der durch den Photothyristor 4 fließende Strom dient als Steuerstrom, um das gesteuerte Wechselstrom-Bauelement 15 leitend zu machen. Nach Einspeisen eines elektrischen Eingangssignales emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, der Photothyristor 4 zündet nach Lichtempfang und wird leitend, und es fließt Strom zum Steueranschluß des gesteuerten Wechselstrom-Bauelements 15· Auf diese Weise wird das gesteuerte Wechselstrom-Bauelement 15 leitend. Ein Stromkreis aus der Wechselstromquelle 12, der Last 11 und dem gesteuerten Wechselstrom-Bauelement 15 wird geschlossen, und es fließt Wechselstrom durch die Last 11. Diese Festkörper-Schalteinheit ist besonders zur Steuerung von Lasten mit ungefähr 10 A Laststrom vorteilhaft.

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Das in Pig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet einen Phototransistor 21 als Lichtempfänger, einen Verstärkertransistor 22 und einen Thyristor 25, um so den Photothyristor wegzulassen. Wenn bei dieser Schaltungsanordnung ein elektrisches Eingangssignal eingespeist wird, emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, und der Phototransistor 21 wird bei Lichtempfang leitend. Folglich fließt Strom durch den Widerstand 23 in den Phototransistor 21 und nicht in die Basis des Transistors 22. Daher fließt der Strom durch einen Widerstand 2k nicht durch den Transistor 22 und wird ein Steuerstrom für den Thyristor 25, so daß dieser gezündet wird und ein Laststrom durch die Last 11 fließt. Gleichzeitig arbeitet eine Schaltung aus dem Transistor 5» den Widerständen 6, 7 und 14 sowie dem Kondensator 13 auf ähnliche Weise wie die Schaltung aus Bauelementen mit den gleichen Bezugszeichen in den Fig. 1 oder 3, und es können ähnliche Wirkungen erzielt werden. Insbesondere ermöglicht die Festkörper-Schalteinheit mit diesem Aufbau ein Schalten durch ein sehr kleines elektrisches Eingangssignal unter 1 mA.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet ein lichtgesteuertes Wechselstrom-Bauelement 26 als Lichtempfänger, um so die Diodenbrücke wegzulassen. Wenn ein elektrisches Eingangssignal an dieser Festkörper-Schalteinheit liegt, emittiert die Leuchtdiode 3 Licht, das lichtgesteuerte Wechselstrom-Bauelement 26 wird bei Lichtempfang leitend, und ein Laststrom fließt durch die Last 11. Gleichzeitig arbeitet eine Schaltung aus dem NPN-Traneistor 5, der in Betrieb ist, wenn die Seite des Anschlusses 9 auf positivem Potential ist, einem PNP-Transistor 27, der in Betrieb ist, wenn die Seite des Anschlusses 9 auf negativem Potential ist, den Widerständen 6, 7 und 14 und dem Kondensator 13 auf ähnliche Weise wie die Schaltungsanordnungen der Fig. 1, 3 oder 4, und es

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können ähnliche Wirkungen erzielt werden. Insbesondere hat die Festkörper-Schalteinheit mit diesem Aufbau keine Diodenbrücke und den zugeschalteten Transistor 27, so daß kein auf der Diodenbriicke beruhender Spannungsabfall auftritt und die Anzahl der Bauelemente klein ist.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen wird das Lichtsignal zum Zünden des Photothyristors, des lichtgesteuerten Wechselstrom-Bauelements oder des Thyristors übertragen; die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt, sondern kann z. B. auch bei einer Schaltungsanordnung vorteilhaft eingesetzt werden, bei der z. B. ein elektrisches Signal zum Zünden eines Thyristors durch einen Impulsübertrager übertragen wird, wobei die Nullschaltspannungs-Punktion auf dem Transistor 5 und den Widerständen usw. zwischen dem Steueranschluß und der Kathode dieses Thyristors beruht.

Wenn bei der Schaltungsanordnung der Fig. 4 oder der Fig. 5 das gesteuerte Wechselstrom-Bauelement 15 wie in Fig. 3 zwischen den Anschlüssen 9 und 10 vorgesehen und der Anschluß 10 mit dem Steueranschluß des gesteuerten Wechselstrom-Bauelements 15 verbunden wird, kann die Schaltungsanordnung der Fig. 4 oder der Fig. 5 auch zur Steuerung einer Hochstrom-Last von 10 A od. dgl. verwendet werden.

Wie oben erläutert wurde, erhöht das erfindungsgemäße Nullschaltspannunge-Festkörper-Relais die Stehspannungs-Anstiegegeschwindigkeit und bewirkt gleichzeitig Schalten mit Hysterese-Verhalten bei einfachem Aufbau, so daß ein stabiler Festkörper-Leistungsschalter entsteht. Daher ist die Erfindung besonders für industrielle Anwendungen vorteilhaft .

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Claims

Patentansprüche

Nullschaltspannungs-Festkörper-Relais mit einem zur Versorgung einer Last mit Wechselstrom durch ein äußeres Steuersignal zündbaren gesteuerten Halbleitergleichrichter, und

mit einem Transistor, dessen Kollektor bzw. Emitter mit dem Steueranschluß bzw. der Kathode des Halbleitergleichrichters verbunden ist,

gekennzeichnet durch

eine aus einem Kondensator (13) und einem ersten Widerstand (7) bestehende Parallelschaltung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors (5) mit ausreichender Zeitkonstante für Hysterese-Verhalten,

einen zweiten Widerstand (14) in Reihe zum Kondensator (13)* und

eine die Basis des Transistors (5) mit dem Halbleitergleichrichter (4) über einen dritten Widerstand (6) verbindende Leitung (Fig. 1).

2. Relais nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein die Last (11) mit Wechselstrom versorgendes und durch den Halbleitergleichrichter (4) zündbares gesteuertes Wechselstrom-Bauelement (15) (Fig. 3).

3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Halbleitergleichrichter (4) ein Photothyristor ist, der durch eine Leuchtdiode (3) ansteuerbar ist, die beim äußeren Steuersignal Licht emittiert (Fig. 1, 3).

4. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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ORIGINAL INSPECTED

- vr?-

daß der Halbleitergleichrichter (H) ein Thyristor (25) ist, der durch Leiten eines Phototransistors (21) zündbar ist, der durch Lichtemission einer durch das äußere Steuersignal angesteuerten Leuchtdiode (3) ansteuerbar ist (Pig. 4).

5· Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Halbleitergleichrichter (M ein lichtgesteuertes Wechselstrom-Bauelement (26) ist, das durch eine Leuchtdiode (3) betrieben wird, die beim äußeren Steuersignal Licht emittiert (Fig. 5)·

6. Relais nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

einen NPN- und einen PNP-Transistor (5 bzw. 27), deren Kollektoren bzw. Emitter mit dem Steueranschluß bzw. der Kathode des Halbleitergleichrichters (26) zusaunengeschaltet sind (Fig. 5).

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