DE102005022911A1 - Festkörperrelais zum Schalten von Wechselstrom auf eine reaktive Last und Verfahren zum Betätigen des Relais - Google Patents

Festkörperrelais zum Schalten von Wechselstrom auf eine reaktive Last und Verfahren zum Betätigen des Relais Download PDF

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Abstract

Ein mit Bussen einer Wechselstromquelle, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen, gekoppeltes Festkörperrelais zum Schalten von Leistung von den zweiphasigen Bussen zu einer Last (R¶L¶), die eine reaktive Komponente aufweist, umfasst: einen ersten und einen zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1, K2), die in einer Reihenschaltung geschaltet sind und zum Schalten von Leistung von den zweiphasigen Bussen auf die Last (R¶L¶) mit den zweiphasigen Bussen koppelbar sind, wobei jeder der ersten und zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1, K2) in den leitenden und den nicht leitenden Zustand steuerbar ist; eine erste und eine zweite Leistungsdiode (D1, D2), die zu dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1, K2) parallel geschaltet sind; und eine Steuerschaltung zum Überwachen der Spannung an den zweiphasigen Bussen und des Laststroms, und zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters (K1, K2) anhand der überwachten Spannung in den leitenden Zustand und anhand des überwachten Laststroms in den nicht leitenden Zustand. Ein Verfahren hierzu ist ebenfalls offenbart.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell die Festkörperumschaltung von Wechselstrom und insbesondere ein Festkörperrelais zum Schalten von Wechselstrom auf eine Last, die eine reaktive Komponente aufweist, mit reduzierter elektromagnetischer Interferenz (EMI) oder reduziertem Rauschen, sowie ein Verfahren zum Betätigen des Relais.
  • Bei steigender Verwendung von elektronischen/computerisierten Steuer-, Mess- und Regelsystemen an Bord von Luft- und Raumfahrzeugen wird es immer wichtiger, die elektromagnetischen Interterenzen (EMI) oder das Rauschen zu minimieren, die/das erzeugt werden/wird, wenn Wechselstrom auf elektrische Lasten geschaltet wird. Solche EMI können die Luftfahrtelektronik negativ beeinflussen, insbesondere wenn sie im Zuge der Wechselstromleitungen erzeugt werden. Antiparallel geschaltete Festkörperschalter, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs), werden in Festkörperrelais bei einer Vielzahl von Anwendungen für die Wechselstromumschaltung verwendet. Bisher ist bei diesen Anwendungen versucht worden, die Festkörperschalter oder FETs der Festkörperrelais gleichzeitig bei Nullspannung an den FET-Schaltern und/oder bei Nullstrom in den Schaltern zu schalten. Aufgrund von Ungenauigkeiten beim Timing erfolgt kein exaktes Schalten bei einer Nullspannung und/oder bei einem Nullstrom, was dazu führt, dass EMI inhärent durch die Wechselstromumschaltung erzeugt werden. Diese Ungenauigkeiten beim Timing werden noch verstärkt, wenn die Netzfrequenz schwankt oder unbekannt ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Festkörperrelais bereitzustellen, mit dem die Nachteile des dem Stand der Technik entsprechenden Festkörperrelais dadurch eliminiert werden, dass eine Wechselstromumschaltung bei minimaler Erzeugung von EMI ermöglicht wird. Das Bereitstellen eines Festkörperrelais, das nicht von der Genauigkeit beim Schalt-Timing oder konstanten oder bekannten Netzfrequenzen abhängig ist, ist höchst wünschenswert.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 11.
    •
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Schaltschema einer konzeptionellen Ausführungsform der Erfindung;
  • 2-5 verschiedene Schaltungskonfigurationen der in 1 gezeigten Ausführungsform zum Beschreiben einer exemplarischen Operation;
  • 6 und 7 detailliertere Schaltschemata der in 1 gezeigten Ausführungsform;
  • 8A-8G Zeit-Wellenformen zum Beschreiben einer exemplarischen Operation der in 6 und 7 gezeigten Schaltungen;
  • 9 ein Schaltschema einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt ein Schaltschema einer konzeptionellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß 1 sind zwei Schalter K1 und K2 parallel zu einer Wechselstromquelle mit einer Last RL in Reihe geschaltet. Die Schalter K1 und K2 sind repräsentativ für Festkörperschalter, die elektronisch gesteuert sind, wie der nachstehenden Beschreibung zu entnehmen ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Wechselstromquelle über eine Phase ΦA und den Nullleiter N erzeugt, was zu einer RMS-Wechselspannung von bei spielsweise ungefähr 115 Volt führt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Wechselstromquelle auch über zwei Phasen einer Dreiphasen- oder Mehrphasen-Leistungsquelle erzeugt werden kann, und in diesem Fall kann die Wechselspannung in der Größenordnung von beispielsweise 200 Volt RMS oder mehr liegen. Bei Anwendung in einem Luftfahrzeug kann die Frequenz der Wechselstromquelle bei ungefähr 400 Hertz liegen, sie kann jedoch beispielsweise zwischen 300 und 800 Hertz variieren. Die vorliegende Ausführungsform kann bei Frequenzen von Tausenden Hertz arbeiten.
  • Ferner ist bei der vorliegenden Ausführungsform eine Leistungsdiode D1 parallel zu dem Schalter K1 geschaltet, und zwar bei einer Konfiguration, bei der der Stromfluss blockiert wird, wenn das ΦA-Spannungspotential relativ zu dem N-Spannungspotential positiv ist, und ist eine weitere Leistungsdiode D2 parallel zu dem Schalter K2 geschaltet, und zwar bei einer Konfiguration, bei der der Stromfluss blockiert wird, wenn das ΦA-Spannungspotential relativ zu dem N-Spannungspotential negativ ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist ein Festkörperrelais die Schalter K1 und K2 und die Leistungsdioden D1 und D2 auf. Entsprechend ermöglicht die in 1 gezeigte Ausführungsform der Schaltung ein Betätigen der Schalter K1 und K2 zum Leiten und Blockieren des Stromflusses von der Wechselstromquelle durch die Last RL bei minimaler Erzeugung von EMI unter Verwendung der parallel geschalteten Dioden D1 und D2.
  • 1-5 zeigen verschiedene Schaltungskonfigurationen mit Darstellung einer Operation der vorliegenden Ausführungsform gemäß den weitreichenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Bei der in 1 gezeigten Schaltungskonfiguration wird davon ausgegangen, dass das Festkörperrelais ausgeschaltet oder deaktiviert ist, beide Schalter K1 und K2 nicht leitend sind und die Dioden D1 und D2 den Stromfluss durch die Last blockieren. Bei der in 2 gezeigten Schaltungskonfiguration ist das Festkörperrelais aktiviert oder eingeschaltet, und wenn ΦA relativ zu N positiv wird, wird einer der Schalter, beispielsweise K2, in einen geschlossenen oder leitenden Zustand gesteuert. In diesem Zustand blockiert jedoch die Diode D1 weiterhin den Stromfluss durch die Last von ΦA zu N. Bei der in 3 gezeigten Schaltungskonfiguration beginnt bei aktiviertem oder eingeschaltetem Festkörperrelais, wenn sich die Spannungspolarität von ΦA relativ zu N von Positiv zu Negativ verändert, ein allmählicher Stromfluss über den Schalter K2, der geschlossen worden ist, und die leitende Diode D1 durch die Last. In diesem Zustand wird der andere Schalter K1 in einen geschlossenen oder leitenden Zustand gesteuert. In den Zeitraum, in dem sich der Schalter K1 schließt, geht der Laststrom allmählich von der Diode D1 zu dem Schalter K1 über. Bei der in 4 gezeigten Schaltungskonfiguration schließt sich schließlich der Schalter K1. Somit ermöglicht die parallel geschaltete Diode D1 einen anfänglichen Laststromfluss, bis der Schalter K1 in der Lage ist, den vollen Laststrom zu leiten, wenn sich ΦA relativ zu N von Positiv zu Negativ verändert. Es sei darauf hingewiesen, dass, wenn K1 mit dem Leiten beginnt, ein sanfter Übergang des Laststroms von D1 zu K1 erfolgt. Folglich werden bei der Umschaltung des Wechselstroms von Ein zu Aus durch die Last nur geringe oder gar keine EMI erzeugt.
  • Wenn das Festkörperrelais bei der in 4 gezeigten Schaltungskonfiguration ausgeschaltet ist, wenn ΦA relativ zu N positiv wird, wird einer der Schalter K2 in den Offen-Zustand gesteuert, während der andere Schalter K1 geschlossen bleibt, wie in 5 gezeigt, wobei der Laststrom jedoch weiterhin durch die parallel geschaltete Diode D2 fließt. Das heißt, wenn sich der Schalter K2 öffnet, geht der Laststrom allmählich von dem Schalter K2 zu der Diode D2 über. Dann blockiert die Diode D2 den Laststromfluss, wenn ΦA relativ zu N negativ wird. Während ΦA relativ zu N negativ ist, kann der Schalter K1 geöffnet werden, ohne den Stromfluss zu beeinflussen, welcher bereits von der Diode D2 blockiert ist. Folglich werden bei der Umschaltung der Wechselstromleistung von Ein zu Aus durch die Last nur geringe oder gar keine EMI erzeugt. Ferner wird durch Verwendung der parallel geschalteten Dioden D1 und D2 das kritische Timing des Nulldurchgangs, das bisher zum Ein- und Ausschalten des Wechselstroms zu der Last benötigt wurde, im wesentlichen eliminiert. Die parallel geschalteten Dioden kommutieren inhärent zwischen Ein und Aus, um den Laststrom zu leiten und zu blockieren, wenn der jeweilige Schalter bei einer beliebigen Frequenz der Wechselstromquelle ein- und ausgeschaltet wird.
  • 6 zeigt ein detailliertes Schaltschema der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß 6 ist eine erdfreie Gleichstrom-Versorgungseinrichtung 10 zwischen den Spannungsbussen ΦA und ΦB der Wechselstromquelle angeordnet. Phase ΦB kann der Nullbus N oder eine weitere Phase einer Mehrphasen-Leistungsquelle sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Festkörperschalter K1 und K2, wie in Zusammenhang mit 1 beschrieben, als Leistungs-N-Metall-Oxid-Halbleiter- (MOS-) FETs FET-1 bzw. FET-2 ausgeführt, beispielsweise des Typs, der von Advanced Power Technology unter der Typennummer APT5015 hergestellt wird. Jedes APT5015-Paket weist eine Leistungsdiode auf, die Anode-mit-Source (S) und Kathode-mit-Drain (D) mit dem FET gekoppelt ist. Das heißt, die Diode D1 ist mit FET-1 und die Diode D2 mit FET-2 gekoppelt. Die Schalter FET-1 und FET-2 sind an ihren Source-Anschlüssen miteinander in Reihe geschaltet und zwischen den Bussen ΦA und ΦB mit der Last RL 14, die bei der vorliegenden Ausführungsform beispielweise ein Heizelement ist, in Reihe geschaltet.
  • Die erdfreie Leistungs-Versorgungseinrichtung 10 weist einen Widerstand R1 auf, dessen eines Ende mit dem ΦB- (Phase B-) Leistungsbus gekoppelt ist und dessen anderes Ende mit der Anode einer Diode D3 gekoppelt ist. Die Kathode der Diode D3 ist mit der Kathode einer Zenerdiode D4, die beispielsweise eine 12 V-Zenerdiode sein kann, und einer Seite eines Kondensators C1 gekoppelt, welcher zu der Zenerdiode D4 parallel geschaltet ist. Die Anode von D4 ist mit dem Source-Anschluss von FET-1 und der Anode von D1 gekoppelt. Der Drain-Anschluss von FET-1 und die Kathode von D1 sind mit dem ΦA- (Phase A-) Bus gekoppelt. Entsprechend fließt jedes Mal, wenn der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B positiv wird, Strom durch die Reihenschaltung der Komponenten R1, D3, D4 und D1 (Halbwellengleichrichtung) und wird durch den Widerstand von R1, welcher bei der vorliegenden Ausführungsform in der Größenordnung von beispielsweise 20 kOhm liegen kann, und die an diesem erzeugte Spannung begrenzt. Dieser Strom lädt den Kondensator C1, der beispielsweise in der Größenordnung von 10 Mikrofarad liegen kann, auf die Spannung der Zenerdiode, welche 12 Volt betragen kann. Die Dioden D1 und D3 verhindern, dass sich C1 in den Bus der Phase B zurück entlädt, wenn dieser relativ zu dem Bus der Phase A negativ wird. Die Spannung an C1 ist die Spannung der erdfreien Leistungs-Versorgungseinrichtung 10. Gleichstrom-Versorgungsleitungen VCC and VSS der erdfreien Versorgungseinrichtung 10 sind mit der positiven bzw. der negativen Seite von C1 gekoppelt.
  • Eine logische Schaltung 12 zum Steuern des Schaltens der Schalter FET-1 und FET-2 ist mit den Versorgungsleitungen VCC und VSS der erdfreien Leistungsvorsorgungseinrichtung 10 gekoppelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Kollektoren der separaten Phototransistoren PT1, PT2 und PT3 mit dem VCC-Bus gekoppelt. Der Emitter von PT1 ist in Reihe mit einer Konstantstrom-Ableitdiode D5 mit dem VSS-Bus geschaltet, und der Emitter von PT2 ist in Reihe mit einer weiteren Konstantstrom-Ableitdiode D6 mit dem VSS-Bus geschaltet. Die Konstantstrom-Ableitdioden D5 und D6 können beispielsweise Dioden des Typs 1N5297 sein und einen vorbestimmten Strom führen, der beispielsweise in der Größenordnung von 1 Milliampere liegt. Jede Diode D5 und D6 fungiert als Schalter, der sich einschaltet, um eine Spannung mit einer sehr steil ansteigenden Flanke an der Diode zu erzeugen, wenn der Leitungsstrom den vorbestimmten Pegel erreicht. Bevor der Leitungsstrom den vorbestimmten Pegel erreicht, bleibt die Spannung an jeder Diode D5 und D6 im wesentlichen auf Null. Entsprechende Photodioden PD1 und PD2 sind parallel zueinander geschaltet, und die Parallelschaltung ist über den Bus der Phase A und den Bus der Phase B mit einem Strombegrenzungswiderstand R5 in Reihe geschaltet. Die Photodioden PD1 und PD2 können mit ihren entsprechenden Phototransistoren PT1 und PT2 in ein gemeinsames Zweifach-Optokoppler-Paket eingebettet sein, das beispielsweise ein Paket des von Fairchild unter der Typbezeichnung MCT 62 hergestellten Typs sein kann.
  • Während der Halbwellenzyklen der Wechselstrom-Versorgungseinrichtung, bei denen der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B positiv ist, fließt Strom durch PD1, welche in Reaktion darauf Licht erzeugt, das als "POS" bezeichnet ist. Das POS-Lichtsignal ist optisch mit dem entsprechenden Transistor PT1 gekoppelt, um zu bewirken, dass PT1 Strom durch die Diode D5 leitet. Ähnlich fließt während der Halbwellenzyklen der Wechselstrom-Versorgungseinrichtung, bei denen der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B negativ ist, Strom durch PD2, welche in Reaktion darauf Licht erzeugt, das als "NEG" bezeichnet ist. Das NEG-Lichtsignal ist optisch mit dem entsprechenden Transistor PT2 gekoppelt, um zu bewirken, dass PT2 Strom durch die Diode D6 leitet.
  • Gemäß 7 kann eine Photodiode PD3, die PT3 entspricht, zwischen einer Spannungsquelle V+ und Masse mit einem Schalter S1 und einem Strombegrenzungswiderstand R6 in Reihe geschaltet sein. Der Schalter S1 kann ein Festkörperschalter oder ein von einem Controller, wie beispielsweise einem Temperatur-Controller, betätigter elektromechanischer Schalter zum Ein- und Ausschalten des Festkörperrelais zwecks Steuerung der Temperatur des Heizelements sein. Der Schalter 51 kann ferner ein manuell betätigter mechanischer Schalter sein. Wenn der Schalter 51 in den leitenden Zustand geschaltet ist, fließt Strom durch PD3 und erzeugt PD3 in Reaktion darauf Licht, das als "ON" bezeichnet ist. Die PD3 und der entsprechende PT3 können ferner in einer gemeinsamen Optokoppler-Komponente angeordnet sein, wie beispielsweise MCT 62. Gemäß 6 ist der Emitter des PT3 mit einem Widerstand R2 in Reihe geschaltet und mit dem VSS-Bus gekoppelt. Entsprechend ist das Licht "ON" optisch mit PT3 gekoppelt und bewirkt, dass PT3 Strom von dem Bus VCC durch den Widerstand R2 zu dem Bus VSS leitet und somit die Entwicklung einer positiven Spannung relativ zu VSS über R2 bewirkt. Auf diese Weise ist die von der erdfreien Leistungs-Versorgungseinrichtung 10 mit Leistung versorgte Logik 12 durch die optische Kopplung der Steuersignale POS, NEG und ON vollständig von der Quelle der Steuersignale POS, NEG und ON isoliert.
  • Ferner ist bei der in 6 gezeigten Ausführungsform die Anode von D5 mit einem als CLK bezeichneten Takteingang eines D-Flip-Flop FF1 gekoppelt und ist der Verbindungs-Knotenpunkt zwischen dem Emitter von PT3 und dem Widerstand R2 mit einem als D bezeichneten Dateneingang von FF1 gekoppelt. Ein Ausgang Q1 von FF1 ist über einen Widerstand R3 mit dem Gate-Anschluss von FET-2 und mit einem D-Eingang eines weiteren D-Flip-Flop FF2 gekoppelt. Ferner ist die Anode von D6 mit einem CLK-Eingang von FF2 gekoppelt und ist ein Ausgang Q2 von FF2 über einen Widerstand R4 mit dem Gate-Anschlus von FET-1 gekoppelt. Jedes Flip-Flop FF1 und FF2 wird über die Busse VCC und VSS von der erdfreien Leistungs-Versorgungseinrichtung mit Leistung versorgt und dient zum Übertragen des Status des Signals am D-Eingang der Flip-Flops zu dem Ausgang Q bei Auftreten eines Pulses mit ansteigender Flanke am CLK-Eingang und hält danach bis zum Auftreten des nächsten Impulses mit ansteigender Flanke am CLK-Eingang den Ausgang Q aufrecht.
  • Der Betrieb der in Zusammenhang mit 6 und 7 beschriebenen Ausführungsform wird nun anhand der in 8A-8G gezeigten beispielhaften Zeit-Wellenformen erläutert. Im Betrieb werden die Schalter FET-1 und FET-2 des Festkörperrelais von der Logikschaltung 12 gesteuert, um die Wechselstromversorgung (siehe 8A) auf die Last oder das Heizelement 14 umzuschalten. Zu diesem Zweck erzeugt der Optokoppler PD1/PT1 einen als POS bezeichneten Impuls am CLK-Eingang von FF1 zu Zeiten, zu denen der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B positiv ist, wie in 8A und 8B dargestellt. Ähnlich erzeugt der Optokoppler PD2/PT2 einen als NEG bezeichneten Impuls am CLK-Eingang von FF2 zu Zeiten, zu denen der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B negativ ist, wie in 8A und 8C dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass bis zum Aktivieren des Festkörperrelais die Ausgänge Q1 und Q2 der Flip-Flops FF1 und FF2 in Reaktion auf die POS- und NEG-Impulse in dem L- oder Nicht-Positiv-Zustand verbleiben. In diesen Zuständen von Q1 und Q2 bleiben die Schalter FET-1 und FET-2 offen oder nicht leitend.
  • Das Festkörperrelais kann aktiviert werden, um die Wechselstromversorgung über die Steuerung der Schalter FET-1 und FET-2 durch Schließen des Schalters 51, der zum Erzeugen eines als ON bezeichneten H- oder positiven Impulses am D-Eingang von FF1 den Optokoppler PD3/PT3 steuert, mit der Last zu koppeln. Gemäß 8D bleibt der Impuls ON wirksam, bis der Schalter 51 geöffnet ist. Nach der Aktivierung des Festkörperrelais erzeugt FF1 an der ansteigenden Flanke des nächsten POS-Impulses, der für eine positive Halbwelle des Busses der Phase A repräsentativ ist, den H- oder Positiv-Zustand an Q1, wie in 8E gezeigt. Der Positiv-Zustand an Q1 treibt den Schalter FET-2 derart, dass dieser sich zu schließen beginnt, und wird zu dem D-Eingang von FF2 geführt. Es kann einen Zeitraum t1 innerhalb des positiven Halbwellenzyklus des Busses der Phase A dauern, bis FET-2 vollständig leitend wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Zeitraum t1 beispielsweise ungefähr 300 Mikrosekunden betragen. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Schließen von FET-2 eine Vorbereitung auf das Leiten von Strom zu der Last 14 ist, dieses Leiten von Strom zu der Last 14 jedoch nicht erlaubt, da FET-1 offen bleibt und sich die Diode D1 in einem Blockierzustand befindet.
  • Sobald jedoch der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B negativ wird, beginnt die Diode D1 mit dem Leiten von Strom über den zuvor geschlossenen Schalter FET-2 zu der Last 14, wie in 8G gezeigt. An der ansteigenden Flanke des nachfolgenden NEG-Impulses, der für eine negative Halbwelle des Busses der Phase A repräsentativ ist, erzeugt FF2 den H- oder Positiv-Zustand an Q2 (da sich der D-Eingang in dem Positiv-Zustand befindet), wie in 8F gezeigt. Der Positiv-Zustand an Q2 treibt den Schalter FET-1 derart, dass dieser sich zu schließen beginnt. Es kann einen Zeitraum t2 innerhalb des negativen Halbwellenzyklus des Busses der Phase A dauern, bis FET-2 vollständig leitend wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Zeitraum t2 beispielsweise ungefähr 300 Mikrosekunden betragen. Wenn sich FET-1 schließt, geht der Laststrom allmählich von D1 zu FET-1 über. Wenn FET-1 somit am Ende von t2 vollständig geschlossen ist, leitet er den gesamten Laststrom.
  • Das Festkörperrelais kann deaktiviert werden, um die Wechselstrom-Versorgungseinrichtung über die Steuerung der Schalter FET-1 und FET-2 durch Öffnen des Schalters S1, der zum Senken des ON-Impulses am D-Eingang von FF1 den Optokoppler PD3/PT3 steuert, von der Last zu entkoppeln, wie in 8D gezeigt. Der ON-Impuls bleibt danach im L-Zustand, bis der Schalter S1 wieder geschlossen ist. An der ansteigenden Flanke des nächsten POS-Impulses nach der Deaktivierung des Festkörperrelais erzeugt FF1 den L- oder Nicht-Positiv-Zustand an Q1, wie in 8B und 8E gezeigt. Der L-Zustand an Q1 treibt den Schalter FET-2 derart, dass dieser sich zu öffnen beginnt, und wird zu dem D-Eingang von FF2 geführt. Es kann eine Zeit dauern, bis FET-2 vollständig offen oder nicht leitend wird. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Öffnen von FET-2 eine Vorbereitung auf das Leiten, jedoch keine Blockierung des Leitens von Strom zu der Last 14 ist (siehe 8G), da FET-1 geschlossen bleibt und der Laststrom zu der Diode D2 übergeht, welche sich im leitenden Zustand befindet. Sobald jedoch der Bus der Phase A relativ zu dem Bus der Phase B negativ wird, wird die Diode D2 nicht leitend. Wenn D2 nicht leitend ist und FET-2 offen ist, ist der Stromfluss zu der Last 14 blockiert, wie in 8G gezeigt. Ferner wird, wenn der Bus der Phase A negativ wird, der NEG-Impuls erzeugt (siehe 8C), welcher den Ausgang Q2 von FF2 in einen L- oder Nicht-Positiv-Zustand triggert, wodurch FET-1 in einen Offen- oder Blockier-Zustand getrieben wird.
  • Obwohl die oben beschriebene Ausführungsform des Festkörperrelais zum Steuern des Wechselstroms auf eine Widerstandslast bei niedrigen EMI-Emissionen geeignet ist, sei darauf hingewiesen, dass sie bei geringfügigen Modifikationen den Wechselstrom auch auf andere Lasten als Widerstandslasten steuern kann. Zum Minimieren von EMI-Emissionen bei Lasten mit einer beträchtlichen reaktiven Komponente, wie beispielsweise einer induktiven Last – wobei der Laststrom relativ zu der Versorgungsspannung phasenverschoben ist – ist es wünschenswert, den Laststrom am Nulldurchgang der Versorgungsspannung einzuschalten und den Laststrom am Nulldurchgang des Laststroms auszuschalten. Eine geeignete modifizierte Ausführungsform des anhand von 6 beschriebenen Festkörperrelais ist in dem Schaltschema von 9 gezeigt. In 9 sind diejenigen Schaltungselemente, die die gleichen sind wie bei der in 6 gezeigten Ausführungsform des Festkörperrelais, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Gemäß 9 weist das modifizierte Ausführungsbeispiel vier NAND-Gatter NG1-NG4, die in einem einzelnen integrierten Schaltungs-(IC-) Paket enthalten sein können, und vier Operationsverstärker A1-A4 auf, die ebenfalls in einem einzelnen IC-Paket enthalten sein können. Sowohl das Gate- als auch das Betriebsverstärker-Paket werden von dem VCC- und dem VSS-Bus mit Leistung versorgt. Zwischen den Schaltern FET-1 und FET-2 angeordnete Shunt-Widerstände R10 und R11 sind mit einer reaktiven Last L1 in Reihe geschaltet. Beispielsweise kann der Widerstand R10 zwischen dem VSS-Bus und FET-2 angeordnet sein und kann der Widerstand R11 zwischen dem VSS-Bus und FET-1 angeordnet sein. Ein invertierender (-) Eingang der Verstärker A1 und A3 ist mit der VSS-Bus-Seite der Widerstände R10 bzw. R11 gekoppelt. Die andere Seite der Widerstände R10 und R11 ist mit den nicht invertierenden (+) Eingängen der Verstärker A1 bzw. A2 gekoppelt.
  • Die Ausgänge von A1 und A3 sind mit den invertierenden (-) Eingängen der Verstärker A2 bzw. A4 gekoppelt. Ein Spannungsteilernetz mit Widerständen R12 und R13 ist mit den Bussen VCC und VSS gekoppelt, um eine Referenzspannung an dem Knotenpunkt zwischen R12 und R13 zu erzeugen, der mit den nicht invertierenden (+) Eingängen der Verstärker A2 und A4 gekoppelt ist. Das Ausgangssignal von A2 ist mit einem der Eingänge der Gates NG1 und NG4 gekoppelt und dient als Enable-Signal für diesen Eingang, und das Ausgangssignal von A4 ist mit einem der Eingänge der Gates NG2 und NG3 gekoppelt und dient als Enable-Signal für diesen Eingang. Die Vpos- und Vneg-Sig nale sind mit dem anderen Eingang der Gates NG1 bzw. NG3 gekoppelt, und die Ausgänge von NG1 und NG3 sind jeweils mit dem anderen Eingang der Gates NG2 und NG4 gekoppelt. Die Ausgänge von NG2 und NG4 sind mit den clk1- und clk2-Eingängen der Flip-Flops FF1 bzw. FF2 gekoppelt. Ferner ist eine Einschalt-Rücksetzschaltung, die eine Reihenschaltung aus Kondensator C3 und Widerstand R14 aufweist, mit den Bussen VCC und VSS gekoppelt. Der Knotenpunkt zwischen C3 und R14 ist mit einem Rücksetz-Eingang der Flip-Flop-Schaltungen FF1 und FF2 gekoppelt, um zu gewährleisten, dass der Start-Zustand der Ausgänge Q1 und Q2 der Flip-Flop-Schaltungen FF1 und FF2 beim Einschalten auf Null zurückgesetzt wird.
  • Bei der alternativen Ausführungsform fungieren die Verstärker A1 und A3 als Differentialverstärker, die Signale INEG und IPOS an ihren Ausgängen erzeugen, welche für die Lastströme der Widerstände R10 bzw. R11 repräsentativ sind. Die Verstärker A2 und A4 fungieren als Komparatorschaltungen, die die für den Strom repräsentativen Signale INEG und IPOS von A1 und A3 mit der Spannung an dem Knotenpunkt der Widerstände R12 und R13 vergleichen, welche beispielsweise für einen Strompegel von Null repräsentativ sein kann. Entsprechend erzeugen die Komparatoren A2 und A4 logische Signale INEG (bar) und IPOS (bar), die für die negativen bzw. positiven Null-Lastströme repräsentativ sind. Somit wird das Gate NG1 von dem Ausgangssignal von A2 bei einem anderen negativen Laststrom als Null deaktiviert und das Gate N3 von dem Ausgangssignal von A4 bei einem anderen positiven Laststrom als Null deaktiviert. Es sei darauf hingewiesen, dass sämtliche Gates NG1-NG4 aktiviert sind, wenn der Laststrom Null ist.
  • Die in 9 gezeigte alternative Ausführungsform funktioniert wie folgt: bei Start des von PD3/PT3 erzeugten ON-Impulses fließt kein Laststrom (d.h. sämtliche Gates NG1-NG4 sind aktiviert) und arbeitet die Schaltung auf im wesentlichen gleiche Weise wie in Zusammenhang mit der in 6 gezeigten Ausführungsform der Schaltung beschrieben, d.h. die Gates NG1-NG2 sind durchlässig, und die Signale Vpos und Vneg steuern die Takteingänge von FF1 und FF2 direkt an. Entsprechend wird der Laststrom von den Schalter/Dioden-Konfigurationen FET-1/D1 und FET-2/D2 an dem oder sehr nahe an dem Null-durchgang der Versorgungsspannung eingeschaltet. Wenn der Laststrom eingeschaltet ist, erzeugen die Verstärker A1 und A2 ihre für den Laststrom repräsentativen Signale INEG und IPOS über die Widerstände R10 und R11 und erzeugen dann die Verstärker A2 und A4 die Logiksignale INEG (bar) bzw. IPOS (bar).
  • In diesem Zustand werden die Gates NG1 und NG3 von den logischen Signalen INEG (bar) bzw. IPOS (bar) deaktiviert und sprechen nicht auf die logischen Signale Vpos und Vneg an. Wenn die Gates NG1 und NG3 deaktiviert sind, sprechen die Gates NG2 und NG4 auf die logischen Signale INEG (bar) bzw. IPOS (bar) an, die für die Phasenzustände des Laststroms repräsentativ sind. Daher werden, wenn der Laststrom eingeschaltet ist, die logischen Signale von der Versorgungsspannungseinrichtung ignoriert und steuern die Phasenzustände des Laststroms die Takteingänge in FF1 und FF2. Somit steuern, wenn das logische Signal ON in den L-Zustand geschaltet ist, um den Strom zu der Last L1 auszuschalten, die logischen Laststrom-Signale IPOS (bar) und INEG (bar) (über NG2/FF1 bzw. NG4/FF2) das Abschalten der Schalter FET-2 und FET-1 an dem oder nahe an dem Laststrom-Nullübergang oder -durchgang statt an dem Versorgungsspannungs-Nulldurchgang.
  • Ferner können, falls gewünscht, ein Kondensator C4 und ein Varaktor V1 der Ausführungsform des Festkörperrelais hinzugefügt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der Kondensator C4 und ein Varaktor V1 über die Reihenanordnung der Schalter FET-1 und FET-2 zwischen der Last L1 und Phase A der Wechselstromversorgung parallel geschaltet. Der Varaktor V1 dient zum Schützen der Schaltung vor Spannungsspitzen, und die Funktion des Kondensators C4 besteht im Durchführen einer Filterung der Stromwellenform.
  • Somit wird durch die Schaltungsmodifikationen bei der alternativen Ausführungsform sichergestellt, dass der Laststrom beim Nulldurchgang der Versorgungsspannung eingeschaltet wird und beim Nulldurchgang des Laststroms ausgeschaltet wird, wodurch die EMI-Emissionen bei Lasten mit reaktiven Komponenten minimiert werden. Ferner können, da die Laststromsignale bei der alternativen Ausführungsform von dem Wert des Laststroms abhängig sind, die Shunt-Widerstände R10 und R11 in für mehrere Laststrombereiche geeigneter Weise ausgelegt sein. Ferner erfolgt, wenn der Laststrom für die modifizierte Schaltung nicht ausreicht, bei der alternativen Ausführungsform automatisch eine Standardeinstellung auf den Betriebsmodus der in 6 gezeigten Ausführungsform.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass bei dem erfindungsgemäßen Festkörperrelais keine scharfen Laststromübergänge bei Schalten der Leistungsversorgung auf die und von der Last 14 auftreten. Somit werden bei Betrieb des Festkörperrelais nur geringe oder im wesentlichen gar keine EMI durch den Schaltvorgang erzeugt. Ferner kann, da das erfindungsgemäße Festkörperrelais nicht empfindlich auf ein Null-Schalt-Timing reagiert, das Festkörperrelais bei unterschiedlichen Frequenzen der Wechselstrom-Versorgungseinrichtung arbeiten. Ferner sind bei dem vorliegenden Beispiel die Festkörperschalter zwar als MOSFETs ausgeführt, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass andere Arten von Festkörperschaltern verwendet werden können, wie beispielsweise bipolare Leistungstransistoren, Bipolartransistoren mit isolierten Gates (IGBTs) u.dgl., ohne dass dadurch von den weitreichenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Claims (20)

  1. Festkörperrelais, zum Schalten von Leistung von Bussen einer Wechselstromquelle, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen, auf eine Last (RL), die eine reaktive Komponente aufweist, wobei das Festkörperrelais aufweist: einen ersten und einen zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2), die in Reihenschaltung geschaltet sind und zum Umschalten von Leistung von den zweiphasigen Bussen auf die Last (RL) mit den zweiphasigen Bussen koppelbar sind, wobei jeder der ersten und zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) in den leitenden und den nicht leitenden Zustand steuerbar ist; eine erste und eine zweite Leistungsdiode (D1,D2), die jeweils dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) parallel geschaltet sind; und eine Steuerschaltung zum Überwachen der Spannung an den zweiphasigen Bussen und des Laststroms, und zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters (K1,K2) anhand der überwachten Spannung in den leitenden Zustand und anhand des überwachten Laststroms in den nicht leitenden Zustand.
  2. Relais nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite Leistungsdiode (D1,D2) jeweils parallel zu dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) in einer Schaltungskonfiguration angeordnet sind, in der ein Stromfluss zu der Last (RL) blockiert wird, wenn sich sowohl der erste als auch der zweite Leistungshalbleiter-Schalter (K1, K2) in dem nicht leitenden Zustand befindet.
  3. Relais nach Anspruch 2, bei dem die Reihenschaltung aus erstem und zweitem Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) mit der Last (RL) in Reihe geschaltet ist; und bei dem die Reihenschaltung aus Last (RL) und erstem und zweitem Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) mit den Bussen, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen, gekoppelt ist.
  4. Relais nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung zum Steuern des ersten Halbleiterschalters (K1) anhand des Übergangs der überwachten Spannung von der ersten Polarität zu der zweiten Polarität in den leitenden Zustand, und zum Steuern des zweiten Halbleiterschalters (K2) anhand des Übergangs der überwachten Spannung von der zweiten Polarität zu der ersten Polarität in den leitenden Zustand von einem Enable-Signal gesteuert ist.
  5. Relais nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung zum Steuern des ersten Halbleiterschalters (K1) anhand des Übergangs des überwachten Laststroms von der ersten Polarität zu der zweiten Polarität in den nicht leitenden Zustand, und zum Steuern des zweiten Halbleiterschalters (K2) anhand des Übergangs des überwachten Laststroms von der zweiten Polarität zu der ersten Polarität in den nicht leitenden Zustand von einem Disable-Signal gesteuert ist.
  6. Relais nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung aufweist: eine erste Schaltung zum Überwachen der Spannung an den Bussen, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen, und zum Erzeugen logischer Spannungssignale, die für die erste und die zweite Polarität der Spannung repräsentativ sind; eine zweite Schaltung zum Überwachen des Laststroms und zum Erzeugen logischer Stromsignale, die für die erste und die zweite Polarität des Laststroms repräsentativ sind; und eine dritte Schaltung zum Steuern des ersten und des zwei ten Schalters anhand der logischen Spannungssignale und der logischen Stromsignale.
  7. Relais nach Anspruch 6, bei dem die zweite Schaltung dazu vorgesehen ist, die logischen Stromsignale zu erzeugen, wenn der überwachte Laststrom einen vorbestimmten Pegel überschreitet.
  8. Relais nach Anspruch 7, bei dem die dritte Schaltung dazu vorgesehen ist, auf die logischen Spannungssignale anzusprechen, wenn der überwachte Laststrom den vorbestimmten Pegel unterschreitet.
  9. Relais nach Anspruch 7, bei dem die dritte Schaltung dazu vorgesehen ist, auf die logischen Stromsignale anzusprechen, wenn der überwachte Laststrom den vorbestimmten Pegel überschreitet.
  10. Relais nach Anspruch 6, bei dem die zweite Schaltung mindestens einen mit der Last (RL) in Reihe geschalteten Widerstand aufweist.
  11. Verfahren zum Umschalten von Leistung von Busleitungen einer Wechselstromquelle, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen, auf eine Last (RL), die eine reaktive Komponente aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Anordnen eines ersten und eines zweiten Leistungshalbleiter-Schalters (K1,K2) in einer Reihenschaltung und Anschließen der Reihenschaltung an die zweiphasigen Busse zum Schalten von Leistung von den zweiphasigen Bussen auf die Last (RL); Koppeln der ersten und der zweiten Leistungsdiode (D1,D2) jeweils über den ersten und den zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2); Überwachen einer Spannung an den zweiphasigen Bussen und eines Laststroms; und Steuern des ersten und des zweiten Schalters (K1,K2) anhand der überwachten Spannung in den leitenden Zustand und anhand des überwachten Laststroms in den nicht leitenden Zustand.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste und die zweite Leistungsdiode (D1,D2) parallel zu dem ersten und dem zweiten Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) in einer Schaltungskonfiguration geschaltet sind, um einen Stromfluss zu dem Lastelement zu blockieren, wenn sich sowohl der erste als auch der zweite Leistungshalbleiter-Schalter (K1, K2) in dem nicht leitenden Zustand befinden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12 mit folgenden Schritten: in-Reihe-Schalten der Reihenschaltung aus erstem und zweitem Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) mit der Last (RL); und Anschließen der Reihenschaltung aus Last (RL) und erstem und zweitem Leistungshalbleiter-Schalter (K1,K2) an die Busse, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen.
  14. Verfahren nach Anspruch 11 mit folgendem Schritt: im aktivierten Zustand Steuern des ersten Halbleiterschalters (K1) anhand des Übergangs der überwachten Spannung von der ersten Polarität zu der zweiten Polarität in den leitenden Zustand, und danach Steuern des zweiten Halbleiterschalters (K2) anhand des Übergangs der überwachten Spannung von der zweiten Polarität zu der ersten Polarität in den leitenden Zustand.
  15. Verfahren nach Anspruch 11 mit folgendem Schritt: im deaktivierten Zustand Steuern des ersten Halbleiterschalters (K1) anhand des Übergangs des überwachten Laststroms von der ersten Polarität zu der zweiten Polarität in den nicht leitenden Zustand, und danach Steuern des zweiten Halbleiterschalters (K2) anhand des Übergangs des überwachten Laststroms von der zweiten Polarität zu der ersten Polarität in den nicht leitenden Zustand.
  16. Verfahren nach Anspruch 11 mit folgenden Schritten: Überwachen der Spannung an den Bussen, die eine erste Phase (A) und eine zweite Phase (B) aufweisen, und Erzeugen logischer Spannungssignale, die für die erste und die zweite Polarität der Spannung repräsentativ sind; Überwachen des Laststroms und Erzeugen logischer Stromsignale, die für die erste und die zweite Polarität des Stroms repräsentativ sind; und Steuern des ersten und des zweiten Schalters anhand der logischen Spannungssignale und der logischen Stromsignale.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, mit dem Schritt des Erzeugens der logischen Stromsignale, wenn der überwachte Laststrom einen vorbestimmten Pegel überschreitet.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, mit dem Schritt des Ansprechens auf die logischen Spannungssignale zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters (K1,K2), wenn der überwachte Laststrom den vorbestimmten Pegel unterschreitet.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, mit dem Schritt des Ansprechens auf die logischen Stromsignale zum Steuern des ersten und des zweiten Schalters (K1,K2), wenn der überwachte Laststrom den vorbestimmten Pegel überschreitet.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Überwachens des Laststroms das Überwachen der Spannung an mindestens einem mit der Last (RL) in Reihe geschalteten Widerstand umfasst.
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