Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА
ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА

ОГРАНИЧИТЕЛЬ ТОКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Для ограничения сверхтоков с помощью полупроводникового элемента, с по меньшей мере одним управляемым полупроводником с источником электронов (исток), коллектором электронов (сток) и управляющим электронным потоком управляющим электродом (затвор), который имеет характеристики по типу полевого транзистора. Технический результат - усиление токоограничительного действия. В случае переменного напряжения включают антипоследовательно два полевых транзистора. Предусмотрены средства для внутреннего получения необходимого для управления полупроводникового элемента управляющего напряжения из по меньшей мере части тока нагрузки и/или по меньшей мере части падения напряжения на полупроводниковом элементе. 15 з.п. ф-лы, 16 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2139620
Класс(ы) патента: H02H9/02, H03K17/08
Номер заявки: 96107210/09
Дата подачи заявки: 08.09.1993
Дата публикации: 10.10.1999
Заявитель(и): Сименс А.Г. (DE)
Автор(ы): Хельмут Реш (DE); Херманн Цирхут (DE)
Патентообладатель(и): Сименс А.Г. (DE)
Описание изобретения: Изобретение относится к ограничителю тока для ограничения сверхтоков посредством полупроводникового элемента с, по меньшей мере, одним управляемым полупроводником, который имеет характеристики типа полевого транзистора (FET).
В устройствах защиты, как силовые выключатели, устройства защиты электродвигателя или устройства защиты линии, в общем в автоматических выключателях, является желательным быстро регистрировать и ограничивать до возможно малых значений и, наконец, отключать появляющиеся токи перегрузки, в частности, токи короткого замыкания. При в основном механических автоматических выключателях, например, в устройствах защиты линии применяют, так называемые, быстродействующие размыкатели, при которых оптимально сконструирована как магнитная цепь, так и якорь магнита, часто погружной якорь, быстро и мощно размыкает контактную систему. Несмотря на это на практике еще не удалось достигнуть более коротких времен размыкания контакта, чем примерно одна милисекунда. При этом ток короткого замыкания беспрепятственно возрастает до размыкания контакта. Только после размыкания контакта возникает электрическая дуга, которая быстро направляется в дуговую камеру и охлаждается на гасящих стальных листах при разделении электрической дуги. За счет высоких при этом напряжений электрической дуги ограничивают и, наконец, отключают ток короткого замыкания.
В случае известных автоматических выключателей при возможном токе короткого замыкания 6 KA, cos Phi = 0,6 и Psi = 60o достигают едва ли меньших значений времен протекания тока, чем:
Ток переключения в 4000 А, время нарастания до максимального значения в 4 милисекунды и интеграл квадрата тока по времени в 30.000 А2сек.
Между тем уже было предложено, использовать для ограничения тока в устройствах защиты полупроводники. На практике это осложняется или препятствуется различного вида обстоятельствами: полупроводниковые элементы имеют, как правило, недостаточное токоограничительное действие и слишком малое допустимое потребление энергии; полупроводниковые элементы имеют, как правило, в нормальном режиме прямое сопротивление выше 10 миллиом при 16 А; полупроводниковые элементы имеют, как правило, слишком малую электрическую прочность.
В основе изобретения лежит задача разработки такого ограничителя тока из полупроводникового элемента с, по меньшей мере, одним управляемым полупроводником, при котором обычные до сих пор недостатки полупроводниковых схем уменьшены до технически приемлемого размера.
Решение названной задачи производится согласно изобретению за счет ограничителя тока согласно пункту 1 формулы изобретения. При этом необходимое для управления полупроводникового элемента управляющее напряжение получают из, по меньшей мере, части тока нагрузки, который протекает через полупроводниковый элемент. Управляющее напряжение может быть также получено из, по меньшей мере, части падения напряжения на полупроводниковом элементе. Можно получать управляющее напряжение также из обеих мероприятий комбинированно.
Известный силовой выключатель (WO 93/11608) действует в качестве ограничителя тока для ограничения сверхтоков посредством полупроводникового элемента с, по меньшей мере, одним управляемым полупроводником с источником электронов (истоком), коллектором электронов (стоком) и управляющим электронным потоком управляющим электродом (затвором), который имеет характеристики по типу полевого транзистора (FET), причем ток нагрузки протекает через полупроводниковый элемент и причем, при переменном напряжении, антипоследовательно включены два полевых транзистора. При этом предусмотрено внешнее управляющее напряжение.
Средством для управления из падения напряжения может согласно изобретения быть схема управления, подключенная к стоку и затвору полупроводника. В качестве средства для управления из тока нагрузки пригодным является расположенный в цепи тока нагрузки преобразователь тока в напряжение.
Схема управления при постоянном напряжении в простейшем случае может быть выполнена в виде резистора, подключенного между выводом стока и выводом затвора полевого транзистора (FET). Схема управления при переменном напряжении в простейшем случае может быть выполнена так, что выводы стока обоих антипоследовательно включенных полевых транзисторов (FET) через соответственно электронный вентиль и резистор соединены с выводами затвора. Подобная схема является пригодной в соединении с полевыми транзисторами, работающими в режиме обогащения, то есть с самозапирающимися полевыми транзисторами, которые имеют n-канал, в качестве пусковой схемы, которая позволяет ограничителю тока выйти в рабочее состояние. Подобная пусковая схема является не нужной, если используют самопроводящие полевые транзисторы с n-каналом, то есть полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения и, в частности, пригодными являются МОП-полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения.
В качестве схемы управления при постоянном напряжении годится также стабилизированный источник тока, который подключен между выводом стока и выводом затвора. Схема управления при переменном напряжении может быть предпочтительно выполнена так, что выводы стока обоих антипоследовательно включенных полевых транзисторов (FET) через соответственно электронный вентиль и стабилизированный источник тока соединены с выводами затвора.
В качестве преобразователя тока в напряжение для управления из тока нагрузки особенно пригодным является трансформатор, к вторичной обмотке которого подключен ограничивающий напряжение в обеих направлениях полярности элемент, в частности, два антипоследовательно включенных полупроводниковых стабилитрона (диода Зенера), выходы которых через выпрямительную схему соединены с выводами затвора. В качестве антипоследовательно включенных полупроводниковых стабилитронов здесь объединены все элементы, которые имеют действие ограничивающих напряжение полупроводниковых стабилитронов. При переменном напряжении тогда характеристики в первом и третьем квадранте диаграммы с током сток-исток на ординате ограничиваются через напряжение сток-исток на абсциссе до желаемого тока сток-исток.
Использование трансформатора между двумя антипоследовательно включенными полевыми транзисторами в качестве индуктивности для ограничения тока короткого замыкания является предметом другой собственной европейской патентной заявки с более старшим приоритетом (номер заявки 92 116 358.0, фигура 4, фигура 7). При этом трансформатор одновременно служит для введения прилагаемого внешнего управляющего напряжения.
В случае ограничителя тока с трансформатором в выполнении в виде преобразователя тока в напряжение, управляющее напряжение получают из тока нагрузки, то есть внутренне. Далее достигается преимущество, что ток нагрузки может направляться в низкоомной первичной обмотке с небольшим числом витков, а вторичная сторона может выполняться высокоомной с большим числом витков, чтобы из тока нагрузки отвести напряжение для управления. За счет ограничивающего напряжение элемента при этом обеспечивается то, что ток исток-сток на кривой с соответствующим параметром напряжения затвор-исток ограничивается с малыми потерями.
Предпочтительным является подключать к трансформатору на вторичной обмотке выпрямительную схему и конденсатор между точками потенциала постоянного напряжения для управляющего напряжения, в частности по пункту 7 формулы изобретения. Конденсатор может быть образован, в частности, емкостью затвор-исток полевого транзистора, если она имеет достаточную величину. При использовании ограничивающих напряжение элементов является предпочтительным выполнять их из полупроводниковых стабилитронов в мостовой схеме, в частности, согласно пункту 8 формулы изобретения.
Выпрямительная схема может быть предпочтительно выполнена в виде схемы умножителя напряжения согласно пункту 9 формулы изобретения.
Наконец, преобразователь тока в напряжение согласно пункту 10 формулы изобретения может быть прерывателем с включенным после него умножителем напряжения, за счет чего можно получать управляющее напряжение из тока нагрузки без трансформатора.
Соответствующие изобретению решения и их преимущества могут быть еще дальше усилены, если полевые транзисторы изготовлены из карбида кремния SiC. При этом известные преимущества полевого транзистора из карбида кремния и ограничителя тока по любому из пунктов формулы изобретения взаимно дополняются.
Ограничение тока в соединении со средствами для управления из падения напряжения или из тока нагрузки может быть достигнуто в общем путем схемы согласно пункту 12 формулы изобретения.
Дополнительно к внутреннему получению управляющего напряжения также возможно, согласно пункту 13 формулы изобретения на полупроводниковом элементе предусматривать устройство управления для дополнительного внешнего управления. Тогда извне можно прикладывать управляющие напряжения коррекции. Возможным является также путем управления извне согласно пункту 14 формулы изобретения при получении предусмотренного входного сигнала генерировать напряжение, запирающее полупроводниковый элемент. Подобный ограничитель тока действует тогда в качестве выключателя. Подобный ограничитель тока может быть выполнен в общем на полупроводниках, которые имеют представленные особые свойства. Ограничитель тока может выполняться в виде интегральной схемы на одном кристалле, с дискретными конструктивными элементами или в смешанной конструкции.
Для определенных случаев применения может быть предпочтительным, располагать последовательно к полупроводниковому элементу, по меньшей мере, один механический переключающий контакт согласно пункту 15 формулы изобретения. Тогда достаточным является сравнительно простой переключающий контакт без особого средства гашения, так как рост тока ограничивается ограничителем тока. С другой стороны переключающий контакт, если он был открыт, защищает ограничитель тока относительно долговременной перегрузки. Это взаимодействие позволяет получать выгодные конструкции.
Устройство защиты в выполнении в виде автоматического выключателя с двумя антипоследовательно расположенными полевыми транзисторами и механическим переключающим контактом является само по себе известным (PCT/ЕР 92/02678). В этом более старом, выполненном в виде силового выключателя устройстве защиты блок из реле и переключающих контактов включен параллельно к двум антипоследовательно соединенным полевым транзисторам. Переключающие контакты также и там расположены относительно соединения полевых транзисторов последовательно. Внутреннее сопротивление полупроводникового элемента однако имеет низкое значение при определенном управляющем напряжении, а при увеличении напряжения на рабочих электродах внутреннее сопротивление скачкообразно нарастает, так что расцепляющий элемент реле снабжается напряжением и может вводить процесс отключения.
Принцип действия ограничителя тока с расположенным последовательно механическим переключающим контактом принципиально отличается от этого. Переключающий контакт согласно пункту 16 формулы изобретения может прямо или косвенно через аккумулятор энергии находиться в соединении взаимодействия с магнитной системой, которая открывает переключающий контакт в зависимости от ограничителя тока.
Особенно выгодное взаимодействие полупроводникового элемента и магнитной системы для переключающего контакта достигается за счет конструкции согласно пункту 17 формулы изобретения. Магнитная система содержит относительно низкоомную по сравнению со вторичной обмоткой первичную обмотку и образует, с одной стороны, трансформатор для получения управляющего напряжения из тока нагрузки. С другой стороны, магнитная система со своей низкоомной первичной обмоткой одновременно образует обмотку возбуждения для той же магнитной системы, якорь которой находится в активном соединении с переключающим контактом. При этом достигается многократное использование конструктивных элементов в комбинированном устройстве. В частности, рабочий воздушный зазор может быть шунтирован дополнительным ярмом согласно пункту 18 формулы изобретения, так что возникает хорошо замкнутая магнитная цепь для преобразователя тока в напряжение, и которое имеет такие параметры, что оно переходит в магнитное насыщение уже при сравнительно малых токах. С другой стороны, как функция якоря, так и магнитной цепи для преобразователя тока в напряжение на практике не подвергаются отрицательному воздействию.
Таким образом рабочий воздушный зазор шунтирован дополнительным ярмом, параметры которого выбраны так, оно переходит в магнитное насыщение уже при токах, которые являются меньшими, чем желательный ток срабатывания для якоря магнита.
Полупроводниковый элемент может использоваться в общем в автоматическом переключателе, например, силовом выключателе, защитном выключателе линии или в устройстве защиты электродвигателя или других защитных устройствах в качестве токоограничительного элемента с функцией так называемого ограничителя (Limiter). Понятно, что полупроводниковый элемент и механический переключающий контакт могут быть соответственно частью пространственно отдельных переключающих устройств.
Изобретение поясняется ниже более подробно с помощью грубо схематично представленных на чертеже примеров выполнения: фиг. 1 - первый упрощенный пример выполнения для ограничителя тока, причем управление, или соответственно управляющее напряжение получают из падения напряжения на полупроводниковом элементе; фиг. 2 поясняет ограничитель тока, управляющее напряжение которого получают из тока нагрузки; фиг. 3 представляет собой ограничитель тока, управляющее напряжение которого получают из падения напряжения на полупроводниковом элементе; фиг. 4 поясняет ограничитель тока, управляющее напряжение которого получают из тока нагрузки и из падения напряжения на полупроводниковом элементе; фиг. 5 показывает двойное дальнейшее развитие ограничителя тока. С преобразователем тока в напряжение между двумя антипоследовательно соединенными полевыми транзисторами управляющее напряжение получается из тока нагрузки особенно выгодным образом, далее последовательно к ограничителю тока включен переключающий контакт; фиг. 6 представляет ограничитель тока с переключающим контактом, при котором на вторичной стороне преобразователя тока в напряжение в мостовой схеме расположены антипоследовательно включенные полупроводниковые стабилитроны в качестве ограничивающих напряжение элементов. Между точками потенциала постоянного напряжения для управляющего напряжения на вторичной стороне включен конденсатор. Ограничивающий напряжение элемент на первичной стороне при этом оказывается не нужным; фиг. 7 схематически поясняет использование схемы умножителя напряжения для ограничителя тока согласно фигуры 6; фиг. 8 передает для управления из тока нагрузки другой пример выполнения ограничителя тока, согласно которому преобразователь тока в напряжение выполнен в виде прерывателя с включенным после него умножителем напряжения; фиг. 9 поясняет на основе принципа представления согласно фиг. 5 принцип подготовки управляющего напряжения из тока нагрузки; , фиг. 10 поясняет, ориентируясь на принцип представления согласно фиг. 5, другой основной принцип, согласно которому подготовка управляющего напряжения при использовании преобразователя тока в напряжение разделена на подготовку вспомогательного напряжения на вторичной стороне и подготовку напряжения для затворов; фиг. 11 представляет на основе принципа представления согласно фиг. 10, как можно производить дополнительное внешнее управление; фиг. 12 передает альтернативное выполнение для элемента команды для дополнительного внешнего управления согласно фиг. 11; фиг. 13 показывает пример выполнения для дальнейшего усовершенствования ограничителя тока, согласно которому трансформатор выполнен комбинированно в качестве преобразователя тока в напряжение с магнитной системой для приведения в действие переключающего контакта; фиг. 14 представляет сверху подробный символ для самозапирающегося полевого транзистора в выполнении с n-каналом и снизу соответственно сокращенный здесь в заявке символ; фиг. 15 передает диаграмму, с помощью которой должен поясняться принцип работы ограничителя тока; фиг. 16 представляет магнитную систему для ограничителя тока, рабочий воздушный зазор которой шунтирован дополнительным ярмом, параметры которого выбраны так, что оно переходит в магнитное насыщение уже при токах, которые являются меньшими, чем желательный ток срабатывания для якоря магнита.
Полупроводниковый элемент 1 согласно фиг. 1 работает в примере выполнения с полевыми транзисторами 3, называемыми далее FET. В примере выполнения полевые транзисторы 3 в соответствии с верхним представлением на фиг. 14 могут пониматься, как таковые, работающие в режиме обогащения (Enhancement), которые являются самозапирающими и например, имеют n-канал. В нижнем представлении согласно фиг. 14 воспроизведен использованный здесь сокращенный символ. На фиг. 1 представлен ограничитель тока для переменного напряжения, который работает при двух подлежащих включению полярностях с двумя антипоследовательно включенными полевыми транзисторами 3. Для управления полупроводникового элемента или соответственно полевых транзисторов, необходимое управляющее напряжение получают из падения напряжения таким образом, что к полевому транзистору, соответственно к его выводу стока 7 подключена последовательная схема из электронного вентиля 4, например, диода, и резистора 5, которая, с другой стороны, соединена с выводом затвора 6 полевого транзистора 3. При переменном напряжении и двух антипоследовательно включенных полевых транзисторах к выводам стока 7 таким образом соответственно через электронный вентиль 4 и резистор 5 создано соединение к выводам затвора 6. Выводы истока 8 полевых транзисторов 3 соединены друг с другом.
Если надо включать только один потенциал, то достаточным является, ориентируясь согласно фиг. 1, верхний или нижний полевой транзистор 3 с приданным электронным вентилем 4 и резистором 5. Вывод истока 8 может тогда быть выведен на землю.
В примере выполнения согласно фиг. 1 при двух антипоследовательно включенных полевых транзисторах 3 в качестве ограничивающего напряжение элемента 9 между выводами затвора 6 и соединением 10 выводов истока 8 антипоследовательно соединенных полевых транзисторов 3 включен полупроводниковый стабилитрон. Соединение 10 проводит ток нагрузки.
Напряжение затвора антипоследовательно соединенных полевых транзисторов 3 получается таким образом через электронные вентили 4 и через резистор 5. С помощью ограничивающего напряжение элемента 9 напряжение затвора и тем самым также максимальный текущий ток короткого замыкания ограничивается.
На фиг. 2 поясняется, как получают управляющее напряжение US в качестве функции тока нагрузки I, US = f(I). На фиг. 3 показано, что управляющее напряжение US может быть получено, как функция падения напряжения U на полупроводниковом элементе US = f(U). На фиг. 4 показано, как управляющее напряжение US может быть получено, как функция тока нагрузки и как функция падения напряжения на полупроводниковом элементе: US = f(l) и US = f(U).
При дальнейшем развитии согласно фиг. 5 последовательно с ограничителем тока включен механический переключающий контакт 2. Ограничитель тока работает с двумя антипоследовательно соединенными полевыми транзисторами, которые через преобразователь тока в напряжение 11 через его первичную обмотку 12 соединены друг с другом своими выводами истока. Существенным при этом далее является то, что к преобразователю тока в напряжение 11 на его вторичной стороне, или соответственно, к его вторичной обмотке 13 подключен ограничивающий напряжение в обеих направлениях полярности элемент 14, в частности, два антипоследовательно включенных полупроводниковых стабилитрона 15. Подключенные на вторичной стороне полупроводниковые стабилитроны 15 ограничивают напряжение на вторичной стороне, в результате чего на первичной стороне вследствие коэффициента трансформации преобразователя тока в напряжение 11 появляется только падение напряжения в несколько десятков милливольт. На первичной стороне ограничивается текущий также через полевые транзисторы 3 ток нагрузки путем ограничения напряжения с малыми потерями на вторичной стороне за счет преобразователя тока в напряжение. Это действие состоит во взаимодействии с обусловленным полупроводниковой техникой ограничением за счет особого управления полевых транзисторов 3. С другой стороны коэффициент трансформации преобразователя тока в напряжение 11 позволяет направлять на первичной стороне в качестве напряжения затвор-исток сравнительно высокое напряжение, за счет чего уменьшается сопротивление во включенном состоянии (ON-). RON получают при высоких напряжениях затвор-исток. Действие этого более подробно поясняется позднее с помощью фиг. 15.
В случае примера выполнения согласно фиг. 5 к преобразователю тока в напряжение 11 на его вторичной стороне далее подключена выпрямительная схема 16, которая соединена, во-первых, с выводом затвора 6 полевых транзисторов 3 и, во-вторых, через средний отвод 18 с первичной обмоткой 12. В примере выполнения конденсатор 19 выполняет в качестве накопительного конденсатора двойную функцию.
Во-первых, он разделяет точки потенциала постоянного напряжения 17 для управляющего напряжения, а, во-вторых, он обеспечивает, что в поле вольт-амперных характеристик полупроводникового элемента 1 с антипоследовательно включенными полевыми транзисторами 3 не является необходимым выходить к (ON)-сопротивлению между обусловленными параметрами характеристиками для напряжения затвор-исток в первом и третьем квадранте, а что также при переменном напряжении можно работать на ON-сопротивлении между первым и третьим квадрантом. Это должно еще поясняться на основе фиг. 15. В этой второй функции конденсатор 19 служит в примере выполнения согласно фиг. 6. Там точки потенциала постоянного напряжения 17 выпрямительной схемы 16 имеются в распоряжении также без конденсатора 19.
При ограничителе тока согласно фиг. 5 преобразователь тока в напряжение 11 замкнут не как обычно резистором, а полупроводниковыми стабилитронами ограничивающего напряжение элемента 14. Через отвод от точек потенциала постоянного напряжения 17 на первичную сторону преобразователя направляется вспомогательное напряжение затвора, которое дополняет или соответственно заменяет получение вспомогательного напряжения на первичной стороне, как это пояснено относительно фиг. 1. На вторичной стороне преобразователя тока в напряжение 11, например, при зенеровском напряжении порядка 9,1 вольт и прямом напряжении порядка 0,9 вольт на полупроводниковых стабилитронах 15 в одном направлении напряжение достигает в сумме величины порядка 10 вольт. Таким образом, если в первичной обмотке 12 протекает достаточно большой ток, чтобы преодолеть индуктивное сопротивление, то на первичной стороне вследствие 10 вольт на вторичной стороне устанавливается напряжение в соответствии с коэффициентом трансформации преобразователя тока в напряжение 11. Например, при коэффициенте трансформации от 1 к 1000 на первичной обмотке 12 появляется напряжение только в 10 мВ.
Схема согласно фиг. 5 работает, в частности, следующим образом.
Когда на соединительных клеммах 20 и 21 автоматического переключателя приложено напряжение, например, вследствие включенного потребителя, через электронные вентили 4, или соответственно диоды, течет ток в зависимости от полярности переменного напряжения, и вследствие падения напряжения на резисторе 5 относительно положительного напряжения на клеммах при 20 лежит не уменьшенный положительный потенциал на выводах затвора 6, так что к полевым транзисторам 3 приложено открывающее напряжение затвор-исток и участок сток-исток приводится во включенное (ON-)состояние. Ток, текущий через первичную обмотку 12 преобразователя тока в напряжение 11 создает на высокоомной вторичной обмотке напряжение, которое при достижении зенеровского напряжения верхнего или нижнего полупроводникового стабилитрона 15 ограничивается до зенеровского напряжения плюс прямое напряжение других полупроводниковых стабилитронов, а именно в обеих соответствующих переменному напряжению направлениях прохождения тока. На вторичной обмотке 13 при этом возникает приблизительно прямоугольное переменное напряжение, которое через диоды 22 для выпрямления в схеме двухполупериодного выпрямителя создает на конденсаторе 19 постоянное напряжение с величиной зенеровского напряжения каждого из полупроводниковых стабилитронов 15. Это постоянное напряжение подводят к обоим участкам затвор-источник полевых транзисторов 3, в результате чего они удерживаются во включенном (ON-)состоянии, без необходимости падения напряжения на резисторе 5. Другими словами: через резистор 5 тогда больше не течет никакой ток.
В примере выполнения согласно фиг. 6 в качестве ограничивающего напряжение элемента 14 выполнена мостовая схема из четырех полупроводниковых стабилитронов 15. При этой схеме токоограничительный элемент 9 на первичной стороне преобразователя тока в напряжение 11 становится не нужным. Последовательно снова включен переключательный контакт 23.
Амплитуды переменного напряжения во вторичной обмотке 13 преобразователя тока в напряжение 11 могут поддерживаться меньшими, если после ограничивающего напряжение элемента 14 включена схема умножителя напряжения 24, как это показано на фиг. 7.
Для управления из тока нагрузки преобразователь тока в напряжение 11 согласно фиг. 8 может быть выполнен в виде прерывателя 39 с включенной после него схемой умножителя напряжения 24. К прерывателю 39 приложено появляющееся на резисторе 55 при токе нагрузки напряжение. Для ограничения падения напряжения и минимизации мощности потерь, является выгодным предусматривать ограничивающее напряжение средство 40. В примере выполнения им могут быть два антипараллельно включенных диода, которые ограничивают падение напряжения на резисторе 5 до прямого сопротивления диодов.
На фиг. 9 схематически передано получение управляющего напряжения между выводами затвора 6 и выводами источника 8 полевых транзисторов 3. Получение управляющего напряжения может быть разделено на получение управляющего напряжения 25 в случае пуска и получение вспомогательного напряжения 26, как это детально пояснено, в частности, на основе фиг. 5.
На фиг. 10 схематически пояснена конструкция ограничителя тока со снабжением управляющим напряжением 25 и снабжением вспомогательным напряжением 26. Снабжение управляющим напряжением 25 может быть выполнено в виде пусковой схемы, так что управляющее напряжение в рабочем режиме принимает на себя снабжение вспомогательным напряжением 26.
Чтобы можно было дополнительно управлять полупроводниковым элементом извне, можно предусматривать внешнее управляющее устройство 41 согласно фиг. 11. Если контакты приведения в действие 42 замкнуты, напряжение затвор-исток коротко замыкается так, что самозапирающийся полевой транзистор переходит в закрытое состояние.
Внешнее устройство управления 41 может также работать с полупроводниковыми контактами 43 согласно фиг. 12.
На фиг. 13 показано, во-первых, предпочтительное выполнение устройства согласно фиг. 10, причем подготовка вспомогательного напряжения выполнена в виде схемы умножителя напряжения и, во-вторых, представлено дальнейшее развитие, согласно которому низкоомная первичная обмотка стоит в активном соединении с якорем 27, который должен приводиться в соединение сцепления с переключающим контактом 23. Подобное выполнение является особенно экономичным с точки зрения расходов, так как преобразователь тока в напряжение 11 и магнитная система 36, которая через якорь 27 открывает переключающий контакт, конструктивно и функционально объединены. Дополнительно может быть предусмотрен аккумулятор энергии 38 по типу замка включения. На низкоомную, приводящую в действие якорь первичную обмотку 12 при этом может быть нанесена высокоомная обмотка с большим числом витков в качестве вторичной обмотки 13. При этом небольшое дополнительное ярмо 37, сравни фиг. 16, может замыкать магнитную цепь для функционирования преобразователя тока в напряжение 11. Это дополнительное ярмо предпочтительно имеет такие параметры, что оно уже при сравнительно малых токах переходит в насыщение, так что на работу воздействующего на переключающий контакт 23 якоря 27 практически не оказывается влияния. Низкоомная первичная обмотка 12 может состоять из нескольких витков, например, от двух до четырех витков, и выгодный диапазон напряжения для подготовки вспомогательного напряжения может быть поднят на первичной стороне до желательного значения напряжения путем схемы умножителя напряжения. Схема умножителя напряжения состоит из следующих элементов: конденсаторы 28 и 19, причем конденсаторы 19 дают в распоряжение также постоянное напряжение для управления полевых транзисторов 3, а также диодов 29, которые в представленной схеме одновременно обеспечивают выпрямление.
Снабжение управляющим напряжением 25 снабжением согласно фиг. 13 показывает возможность получения возвратно-падающей ("Fall-Back") характеристики. Существенными компонентами для этого являются транзистор 30 и резисторы 31, 32 и 33. Эта часть схемы работает следующим образом.
Если вследствие повышенного тока, который, например, появляется при коротком замыкании, вступает в действие токоограничительное действие полевых транзисторов 3, напряжение на клеммах 20 и 21 возрастает. Это напряжение появляется на мостовом выпрямителе, который образован диодами электронных вентилей 4 и объемными диодами, обозначаемыми также как инверсные диоды, полевых транзисторов 3. Под объемными диодами, как известно, понимают каждый граничный слой, в частности, присущее МОП-полевому транзистору внутреннее диодное действие pn-перехода от истока к стоку. Объемные диоды обозначены для наглядности позицией 31. Приложенное к показанному мостовому выпрямителю напряжение лежит также на последовательной схеме резисторов 131 и 133, за счет чего на резисторе 133 появляется падение напряжения, которое управляет переводом транзистора 30 в проводящее состояние. За счет величины сопротивления 132 может включаться напряжение затвор-исток, которое при возрастающем напряжении на клеммах 20 и 22 становится все меньше и тем самым уменьшает ток нагрузки через полевые транзисторы 3. Воспроизведенный пример выполнения показывает только одну возможность создания возвратно-падающей ("Fall-Back"-) характеристики согласно соответствующим изобретению принципам. Как известно, операционным усилителем можно создать любую желаемую характеристику.
На фиг. 14 в верхнем представлении передан полный символ для обозначения полевого транзистора, а в нижнем представлении - сокращенный символ, который применяется в настоящем описании. Нанесены обычные сокращения для стока, затвора и истока, а также положительное направление тока сток-исток. Представление согласно фиг. 14 показывает полевой транзистор, работающий в режиме обогащения, то есть самозапирающийся полевой транзистор, который имеет n-канал. В частности, вид представления согласно фиг. 14 следует понимать как МОП-полевой транзистор. Разумеется, что представленные схемы согласно фиг. 1-13 могут быть реализованы также другими соответствующими конструктивными элементами, в частности, другими полевыми транзисторами. Так при применении p-канальных полевых транзисторов нужно предпринять только обычную смену полярности. Существенным является, чтобы могли быть реализованы характеристики, как они представлены на фиг. 15, чтобы таким образом для постоянного напряжения независимо от напряжения мог устанавливаться максимальный ток и чтобы для переменного напряжения имели место подобные условия в двух диагонально противолежащих квадрантах. Воспроизведенные здесь в качестве примера с помощью определенных полевых транзисторов схемы должны рассматриваться в этом общем смысле.
С помощью фиг. 15 должны поясняться принципы действия при ограничителе тока.
Фиг. 15 передает диаграмму, причем на ординате нанесен ток сток-исток IDS и на абсциссе напряжение сток-исток UDS. Полевой транзистор изображенного здесь вида, как он пояснен относительно фиг. 14, имеет с самого начала характеристику 32, которая при отрицательном напряжении исток-сток переходит в характеристику 33 объемного диода. Горизонтальные характеристики получаются при одном параметре напряжения затвор-исток и ограничивают ток сток-исток при соответствующем включении. При высоких напряжениях затвор-исток достигается крутое (ON-)сопротивление RON. При антипоследовательном включении полевых транзисторов в случае переменного напряжения достигается симметричный вид работы между первым и третьим квадрантом, причем характеристика 33 объемного диода больше не проявляется. Со схемой с преобразователем тока в напряжение изображенного монтажа достигают разбег через характеристику 35, которая переходит в прямую для физически заданного ON-сопротивления использованного полевого транзистора.
Разбега для каждого направления полярности переменного напряжения избегают в антипоследовательном расположении полевых транзисторов, если конденсатор 19 применен описанным образом в качестве накопительного конденсатора. Токоограничительное действие антипоследовательно включенных полевых транзисторов проявляется тогда между выбранной горизонтальной характеристикой с соответствующим напряжением затвор-исток в качестве параметра в первом и третьем квадранте в соединении с переходом характеристики 34 для ON-сопротивления. При этом площадь между характеристикой 32 и лежащей в первом квадранте слева выбранной характеристикой действует как экономия мощности, как можно наглядно видеть из произведения тока сток-исток и напряжения сток-исток. Возможности изображенных принципов усиливаются значительным образом путем использования полевых транзисторов из карбида кремния. Полупроводниковый элемент 1, включенный последовательно с переключающим устройством, может реализовываться в различных видах выполнения соответственно в целом или частично в виде интегральной схемы. Ограничитель тока может также находить многочисленные применения и без переключающего устройства.
На фиг. 16 поясняется магнитная система 36 с первичной обмоткой 12 и вторичной обмоткой 13, которая содержит дополнительное ярмо 37 и якорь 27. Подобная магнитная система является предпочтительной для конструктивной комбинации ограничителя тока с переключающим устройством, что уже пояснялось.
Формула изобретения: 1. Ограничитель тока при переменном напряжении для ограничения сверхтоков с помощью полупроводникового элемента, имеющего две управляемые полупроводниковые структуры с источником электронов или дырок (исток), коллектор электронов или дырок (сток) и управляющий электронным потоком управляющий электрод (затвор), который имеет характеристики по типу полевого транзистора, причем полупроводниковый элемент включен в цепь тока нагрузки, а две полупроводниковые структуры включены антипоследовательно и выводами своих истоков связаны друг с другом, отличающийся тем, что для внутреннего получения необходимого для управления полупроводниковым элементом управляющего напряжения из по меньшей мере части падения напряжения на полупроводниковом элементе, выводы стоков обеих антипоследовательно включенных полупроводниковых структур через, соответственно, вентиль и резистор соединены с выводами затвора, и/или управляющее напряжение получают из по меньшей мере части тока нагрузки, протекающего через полупроводниковый элемент, причем в цепи тока нагрузки полупроводникового элемента включен преобразователь тока в напряжение.
2. Ограничитель тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве преобразователя тока в напряжение служит трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключен дополнительный, ограничивающий напряжение в обоих направлениях полярности элемент, в частности, два антипоследовательно включенных полупроводниковых стабилитрона, выход которого или выходы которых через выпрямительную схему соединены с выводами затвора.
3. Ограничитель тока по п.2, отличающийся тем, что к трансформатору, к его вторичной обмотке подключена выпрямительная схема, точки потенциала постоянного напряжения которой подключены, во-первых, к выводам затвора полупроводниковых структур, а во-вторых, через средний отвод - к первичной обмотке, причем конденсатор включен между точками потенциала постоянного напряжения для управляющего напряжения.
4. Ограничитель тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве преобразователя тока в напряжение служит трансформатор, на вторичной обмотке которого расположен мостовой выпрямитель из полупроводниковых стабилитронов, выходы постоянного напряжения которого связаны с затворами.
5. Ограничитель тока по п.2, отличающийся тем, что выпрямительная схема выполнена в виде схемы умножителя напряжения.
6. Ограничитель тока по п.1, отличающийся тем, что преобразователь тока в напряжение является прерывателем с включенным после него умножителем напряжения.
7. Ограничитель тока по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что полупроводниковые структуры выполнены из карбида кремния (SiC).
8. Ограничитель тока по п.1, отличающийся тем, что между выводами затвора и точкой соединения обоих выводов стока включен элемент с действием токоограничительного полупроводникового стабилитрона, параметры которого выбраны так, что напряжение затвора полупроводника или соответственно полупроводников установлено на значение, при котором устанавливается желаемое ограничение тока перегрузки.
9. Ограничитель тока по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что на полупроводниковом элементе выполнено устройство управления для дополнительного внешнего управления.
10. Ограничитель тока по п.9, отличающийся тем, что устройство управления выполнено для генерирования запирающего полупроводниковый элемент напряжения при получении предусмотренного входного сигнала.
11. Ограничитель тока по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что последовательно с полупроводниковым элементом включен по меньшей мере один механический переключающий контакт.
12. Ограничитель тока по п.11, отличающийся тем, что переключающий контакт прямо или косвенно через аккумулятор энергии находится в соединении взаимодействия с магнитной системой.
13. Ограничитель тока по п.12, отличающийся тем, что магнитная система имеет по сравнению со вторичной обмоткой относительно низкоомную первичную обмотку и образует, с одной стороны, трансформатор для получения управляющего напряжения из тока нагрузки и, с другой стороны, своей низкоомной первичной обмоткой - одновременно обмотку возбуждения для соответствующей магнитной системы, якорь которой находится в активном соединении с переключающим контактом.
14. Ограничитель тока по п.13, отличающийся тем, что в магнитной системе, ее рабочий воздушный зазор шунтирован дополнительным ярмом, параметры которого выбраны так, что оно переходит в магнитное насыщение уже при токах, которые меньше, чем желаемый ток срабатывания для якоря магнита.
15. Ограничитель тока по п.11, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент введен в автоматический переключатель, например, силовой выключатель, защитный выключатель линии или устройство защиты двигателя или т.п. в качестве токоограничительного элемента с функцией ограничителя.
16. Ограничитель тока по п.11, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент и механический переключающий контакт являются соответственно частью пространственно отдельных переключающих устройств.