DD238896A1 - Kurzschlussschutzvorrichtung fuer einen gepulsten transistorleistungsschalter - Google Patents

Abstract

Kurzschlussschutzvorrichtung fuer einen gepulsten Transistorleistungsschalter mit einer Ueberstromschutzvorrichtung, welche bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalstromes ein Ueberstromsignal ausgibt und den Transistor bis zum Beginn jedes neuen Einschaltimpulses sperrt, wobei im Kurzschlussfall das Wiedereinschalten des Transistors verhindert wird, unter Verwendung einer Schutzdrossel im Gleichstromzwischenkreis. Ziel ist, den Transistorleistungsschalter vor Ueberstrom im Kurzschlussfall mit geringstem zusaetzlichen Schaltungsaufwand zu schuetzen und schnellmoeglichst ausser Betrieb zu setzen. Die Aufgabe besteht darin, einen Kurzschluss nach jedem Einschaltimpuls des Schalttransistors sicher zu erfassen und diesen unmittelbar darauf ausser Betrieb zu setzen, ohne dass einzelne Stoerungen den Schalttransistor ausser Betrieb setzen sollen. Dazu ist fuer jeden Transistor eine Zeitstufe vorgesehen und mit dem Einschaltsignal des Transistors zuschaltbar. Das Ueberstromsignal ist ueber eine Torschaltung an der Kurzschlussschutzvorrichtung angeschlossen. Der Ausgang der Zeitstufe liegt am Steuereingang der Torschaltung, welche innerhalb der ablaufenden Zeit, die der im Kurzschlussfall bis zur Erreichung des Maximalstromes gegebenen Zeit entspricht, durchgaengig geschaltet ist. Fig. 1

Description

Abweichung außerhalb einer bestimmten Toleranzbreite den Gleichstromsteller von der Versorgungsspannung trennt. Eine Unterscheidung eines einzelnen Überstromfalles, auf den die Überlastschutzeinrichtung des jeweiligen betroffenen Transistors reagiert, von dem über längere Zeit bestehenden Überstrom oder Kurzschlußstrom, ist dadurch gegeben, daß beim vorzeitigen Abschalten einer oder mehrerer Transistoren der Iststrom im Motor abnimmt, so daß sich eine zunehmende Abweichung zum Sollstrom ergibt. Damit wird zwar die Störempfindlichkeit gegen vorzeitiges Außerbetriebsetzen des Gleichstromstellers bei nur kurzzeitigen Störungen, d. h. einzelner Überstromabschaltungen der Schalttransistoren, verhindert, aber es muß während des Fortbestehens des Kurzschlusses eine Mehrzahl von Einschaltungen erfolgt sein, um die eigentlich zu verhindernde Überlastung des Transistors überhaupt erkennen zu können. Die Transistoren werden dadurch relativ lange Zeit an ihrer Grenzbelastung betrieben, so daß ihre Lebensdauer herabgesetzt wird. Außerdem werden in dieser bekannten Kurzschlußschutzvorrichtung mehrere zusätzliche Schaltungsgruppen für die Erkennung des Kurzschlußfalles benötigt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung bezweckt die Schalttransistoren in gepulsten Transistorleistungsschaltern vor Überstrom im Kurzschlußfall mit geringstem zusätzlichen Schaltungsaufwand zu schützen sowie die Schalttransistoren im Kurzschlußfall schnellstmöglich außer Betrieb zu setzen, wobei der Transistorleistungsschalter bezüglich seiner Außerbetriebsetzung störanfällig gegen einzelne kurzzeitige Störungen bleiben soll.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kurzschlußschutzvorrichtung für einen gepulsten Transistorleistungsschalter zu schaffen, der einen Kurzschluß nach jedem Einschaltimpuls des Schalttransistors sicher erfassen und den Transistorleistungsschalter unmittelbar darauf außer Betrieb setzen soll, wobei der Transistorleistungsschalter gegen Störungen in Form einzelner innerhalb der Einschaltphase auftretender Überströme von der Überstromschutzschaltung geschützt bleiben und in diesen Fällen nicht außer Betrieb gesetzt werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß für jeden Transistor eine Zeitstufe vorgesehen ist und mit dem Einschaltsignal des Transistors zugeschaltet wird und daß das Überstromsignalüer ein Tor an der Kurzschlußschutzvorrichtung angeschlossen ist. Der Ausgang der Zeitstufe ist mit dem Steuereingang des Tores verbunden, welches innerhalb der ablaufenden Zeit, die der im Kurzschlußfall bis zur Erreichung des Maximalstromes gegebenen Zeit entspricht, durchgängig geschaltet ist.

Ausführungsbeispiel

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1: Ein Blockschaltbild der Kurzschlußschutzvorrichtung

Fig. 2: eine Überwachungsschaltung für den erfindungsgemäßen Kurzschlußschutz Fig.3: ein Diagramm der Kurzschlußstromverläufe

Ein Schalttransistor 1 (Fig. 1) liegt mit seinem Emitter über einen Strommeßshunt2 und einen Lastwiderstand 3, der ζ. Β. der Anker eines Gleichstrommotors sein kann, am Minuspotential. Der Schalttransistor 1 ist von einer Freilaufdiode 4 überbrückt.

Der Kollektor des Schalttransistors 1 ist über eine Schutzdrossel 5 mit parallel geschalteter Freilaufdiode 6 am Pluspotential angeschlossen. Die Basis des Schalttransistors 1 steht mit einer Ansteuschaltung 7 in Verbindung. Die Anschlüsse des Strommeßshunt 2 sind auf die Ansteuerschaltung 7 geführt, wobei der emitterseitige Anschlußpunkt Nullpotential führt. Der Kollektor des Schalttransistors 1 ist über eine Diode 8 zur Spannungserfassung mit der Ansteuerschaltung 7 verbunden. Die Ansteuerschaltung 7 steht eingangsseitig mit einer Überwachungsschaltung 9 in Verbindung, an die ein Überstrommeldesignalausgang Ü der Ansteuerschaltung 7 angeschlossen ist. Auf die Ansteuerschaltung 7 ist ein Freigabesignalausgang F der Überwachungsschaltung 9 geschaltet. Eine Einschaltsignalleitung E ist sowohl an der Ansteuerschaltung 7 als auch an der Überwachungsschaltung 9 angeschlossen.

Die Überwachungsschaltung 9 besitzt einen weiteren Quittiereingang Q. Die Ansteuerschaltung 7 besitzt Anschlüsse für Plus-, Minus- und Nullpotential.

In Fig. 2 ist die Überwachungsschaltung 9 im Detail dargestellt, wobei die mit den in der Fig. 1 identischen Schaltelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die Überwachungsschaltung 9 enthält eine Zeitstufe 10, deren Ausgang über eine Torschaltung 11 auf einen Kurzschlußspeicher 12 geführt ist. Dem Kurzschlußspeicher 12 ist eine Kurzschlußanzeige 13 nachgeschaltet.

Die Zeitstufe 10 besteht aus der Reihenschaltung eines Kondensators 14 und eines Potentiometers 15, die zwischen der positiven Versorgungsspannung und Nullpotential liegen.

Über dem Kondensator 14 liegt eine Feldeffekttransistor 16 mit seinem Drain- bzw. Sourceanschluß. Das Gate des Feldeffekttransistors 16 ist mit der Einschaltsignalleitung E verbunden. Die Einschaltsignalleitung ist außerdem auf ein zur Zeitstufe 10 gehöriges NAND-Gatter 17 geführt, dessen zweiter Eingang am Verbindungspunkt des Kondensators 14 mit dem Potentiometer 15 liegt. Der Ausgang des NAND-Gatters 17 ist als Ausgang der Zeitstufe 10 über einen ersten Negationsglied 18 auf den Eingang eines NAND-Gatters 19 in derTorschaltung 11 geführt, wobei der zweite Eingang des NAND-Gatters 19 über ein zweites Negationsglied 7 in Verbindung steht.

Der Ausgang des NAND-Gatters 19 derTorschaltung 11 ist auf den Setzeingang des aus zwei NAND-Gattern 21; 22 bestehenden Kurzschlußspeichers 12 geführt, dessen Rücksetzeingang am Ausgang eines NAND-Gliedes 23 angeschlossen ist. Die beiden Eingänge des NAND-Gliedes 23 sind der Quittiereingang Q und der Ausgang der Zeitstufe 10. Der Ausgang des NAND-Gatters 22

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liegt als Freigabesignalausgang F (bzw. Sperrsignalausgang) der Überwachungsschaltung 9 an der Ansteuerschaltung 7. Der Ausgang jedes der beiden NAND-Gatter 21; 22 des Kurzschlußspeichers 12 ist auf die Kurzschlußanzeige 13 in Form einer Leuchtdiodenanzeige 13 geschaltet. Dazu ist jedes der beiden NAND-Gatter 21; 22 über einen Widerstand 24; 25 mitderBasii eines Transistors 26; 27 verbunden, dessen Emitter am Pluspotential und dessen Kollektor jeweils über einen Strombegrenzungswiderstand 28; 29 und einer Leuchtdiode 30; 31 am Nullpotential angeschlossen ist. Die Wirkungsweise der Kurzschlußschutzvorrichtung ist folgende:

Steigt der Strom im Lastkreis über den Grenzstrom l_cgrenz an, wirkt die Überstromschutzschaltung und es erfolgt eine Abschaltu des Schalttransistors 1, sofern ein Überstrom nach Ablauf der Verzögerungszeit t_onmin vorliegt. Der Strom im Lastkreis wird dab vom Strommeßshunt 2 erfaßt und der Ansteuerschaltung 7 zugeführt. Dieser Laststrom läßt sich aber auch als Kollektorstrom! aus der Größe der Kollektor-Emitter-Spannung U_cE über die Diode 8 bestimmen.

Innerhalb der Verzögerungszeit t_{on m}in wirkt die Schutzdrossel 5 für den Schaltungstransistor 1 im Falle eines Kurzschlusses strombegrenzend. Da mit jedem erneuten Einschaltimpuls bei bleibendem Kurzschluß im Lastkreis der Schalttransistor 1 bis seiner Abschaltung durch die Überstromschutzschaltung nach Beendigung der Verzögerungszeit t_onmin an seiner Stromgren; belastet wird, ist für diese Überlast- bzw. Kurzschlußfälle eine völlige Außerbetriebnahme der Ansteuerschaltung 7 erfordernd Die erfindungsgemäße Kurzschlußschutzvorrichtung trennt die Ansteuerschaltung 7 vollständig ab, wenn nach Ablauf der Verzögerungszeit t_{on min} und vor Ablauf der von der Zeitstufe 10 vorgegebenen Zeit t_K ein Überlaststrom besteht. Dazu wird m jedem Einschaltimpuls auf der Einschaltsignalleitung E sowohl über die Ansteuerschaltung 7 der Schalttransistor 1 zugeschalt als auch die Zeitstufe 10 in der Überwachungsschaltung 9 gestartet. Der Feldeffekttransistor 16 schließt den Kondensator 14 ku so daß Η-Signal am Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 14 und dem Potentiometer 15 liegt. Der Feldeffekttransistor 16 wird beim Auftreten des Einschaltimpulssignals gesperrt, so daß sich der Kondensator 14 über de Widerstand des Potentiometers 15 aufladen kann und sich nach der Aufladezeit des Kondensators 14L-Signaleam Verbindungspunkt zwischen Potentiometer 15 und Kondensator 14 einstellt.

Das NAND-Gatter 17 wird durchgeschaltet und damit das NAND-Gatter 19 in der Torschaltung 11 vorbereitend aktiviert, so d ein an der Ansteuerschaltung 7 am Überstromsignalausgang Ü anstehendes Überstromsignal {Abschaltsignal nach der Verzögerungszeit tonmin) über den Negator 20 des NAND-Glied 19 auf Null setzt. Damit kippt der Kurzschlußspeicher 12 in seil Ausnahmelage, d. h. das NAND-Gatter 22 wird ausgangsseitig auf Η-Potential gesetzt. Damit wird der Freigabesignalausgam gesperrt und die Ansteuerschaltung 7 außer Betrieb gesetzt. Gleichzeitig wird der Transistor 27 gesperrt und die Leuchtdiode 3 verlischt. Das NAND-Gatter 21 im Kurzschlußspeicher 12 erhält L-Potential an seinem Ausgang und steuert damit den Transisti 26 durch, so daß an die Leuchtdiode 30 Spannung gelegt wird. Die Ansteuerschaltung 7 kann erst durch eine Kurzschlußquittierung von außen über den Quittierungseingang Q und das NAND-Glied 23 in Betrieb genommen werden, sofern am Ausgang der Zeitstufe 10 kein L-Signal ansteht.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß ein im Zeitraum zwischen dem Ablauf der Zeit t_onmin und der Zeit t_K vorliegender Kurzschluß nebi der Störabschaltung des Schalttransistors durch die Überstromschutzschaltung gleichzeitig zur völligen Außerbetriebsetzun der Ansteuerschaltung 7 führt.

Tritt ein Kurzschluß erst nach Ablauf der Zeit t_K ein, erfolgt die bekannte Störabschaltung, ohne daß die Ansteuerschaltung 7 außer Betrieb gesetzt wird, d.h. der Schalttransistor wird vom folgenden Einschaltimpuls der Ansteuerschaltung 7 wieder aufgesteuert.

Sollte der Überstrom bzw. Kurzschlußstrom bei dieser folgenden Einschaltung des Schalttransistors 1 weiterbestehen, und damit der Strom l_c vom Einschaltzeitpunkt bis zum Ablauf der Verzögerungszeit t_on min weiter ansteigen (Fig.3, rechter Kurvenverlauf), erfolgt unmittelbar nach Beendigung der Verzögerungszeit t_on min die Kurzschlußabschaltung der Ansteuerschaltung 7. Damit bleibt der Schalttransistor 1 gegen kurzzeitige einzelne Störungen unempfindlich und störunanfällig; hingegen wird eine sofortige Kurzschlußabschaltung ausgelöst, wenn beim Einschalten des Schalttransistor! nach Ausblendung der Verzögerungszeit t_onmin ein Überstrom vorliegt. Anderenfalls, wenn der Überstrom innerhalb dieser Einschaltphase zu einem späteren Zeitpunkt auftritt, erfolgt die Kurzschlußabschaltung in der darauffolgenden Einschaltpha Damit besteht ein optimaler Kurzschlußschutz, wobei der Schalttransistor 1 lediglich einmal, im ungünstigsten Fall zweimal nacheinander einem Überstrom ausgesetzt ist.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   Kurzschlußschutzvorrichtung für einen gepulsten Transistorleistungsschalter mit einer Überstromschutzvorrichtung, welche bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalstromes ein Überstromsignal ausgibt und den Transistor bis zum Beginn jedes neuen Einschaltimpulses sperrt, wobei im Kurzschlußfall das Wiedereinschalten des Transistors verhindert wird, unter Verwendung einer Schutzdrossel im Gleichstromzwischenkreis, insbesondere für Transistor-Pulssteller bzw. Transistor-Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Transistor (1) eine Zeitstufe (10) vorgesehen und mit dem Einschaltsignal (E) des Transistors (1) zuschaltbar ist und daß das Überstromsignal (Ü) über eine Torschaltung (11) an der Kurzschlußschutzvorrichtung angeschlossen ist, wobei der Ausgang der Zeitstufe (10) mit Steuereingang der Torschaltung (11) verbunden ist und diese Torschaltung (11) innerhalb der ablaufenden Zeit, die der im Kurzschlußfall bis zur Erreichung des Maximalstromes gegebenen Zeit entspricht, durchgängig geschalten ist.

   Hierzu
2. 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Kurzschlußschutzvorrichtung für einen gepulsten Transistorleistungsschalter mit einer Überstromschutzvorrichtung, welche bei Erreichen eines vorgegebenen Maximalstromes ein Überstromsignal ausgibt und den Transistor biszum Beginn jedes neuen Einschaltimpulses sperrt, wobei im Kurzschlußfall das Wiedereinschalten des Transistors verhindert wird, unter Verwendung einer Schutzdrossel im Gleichstromzwischenkreis. Der Kurzschlußschutz von Transistoren kann in allen Geräten mit Transistorleistungsschaltern eingesetzt werden, die in einem Pulsregime arbeiten. Insbesondere ist dieser Kurzschlußschutz an Transistorfrequenzumrichtern für Drehstromantriebe und Transistorfrequenzumrichtern für Drehstromantriebe und Transistorpulsstellern für Gleichstromantriebe anwendbar.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Schaltungen zum Schutz von Transistoren gegen Überstrom sind bekannt. Diese Schaltungen beruhen auf der Erfassung des Stromes und dessen Vergleich mit einem vorgegebenen Stromgrenzwert sowie der Abschaltung des Transistors bei Überschreitung des Stromgrenzwertes. Als Möglichkeit der Überstrom- bzw. Kurzschlußerfassung wird der Kollektorstrom des Transistors direkt über einen Shunt oder indirekt über einen Transformator gemessen. Ebenso kann die Spannung zwischen Kollektor und Emitter oder zwischen Basis und Emitter des Transistors als Maß für die Strombelastung herangezogen werden. Steigt der Strom im Transistor durch einen auftretenden Kurzschluß auf den vorgegebenen Schwellwert an, erfolgt die Abschaltung des Transistors. Da aber die Abschaltung des Transistors durch die Ausblendzeit der Überwachungsschaltung (Stromerfassungs- und Schwellwertschaltung) und die Speicherzeit des Transistors verzögert ist, wirkt innerhalb dieser Verzögerungszeit der Transistor selbst kurzschlußbegrenzend. Dabei muß aber der Basisstrom so gering eingestellt sein, daß der Kurzschlußstrom den maximal zulässigen Kollektorstrom nicht übersteigt. Bei Überschreitung dieses zulässigen Kollektorstromes tritt infolge der dadurch hervorgerufenen hohen Verlustleistung die thermische Zerstörung der Transistoren ein, sofern eine bestimmte Zeitdauer dieser Belastung überschritten wird, wie dies aus dem SOAR-Diagramm des Transistors zu entnehmen ist.

   Die Einstellung eines geringen Basisstromes hat aber den Nachteil, daß auch im Normalbetrieb, wegen der sich daraus ergebenden hohen Kollektor-Emitter-Spannung hohe Durchlaßverluste entstehen. Außerdem werden die dynamischen Eigenschaften des Transistors verschlechtert. Eine Basisstromüberhöhung beim Einschalten ist nicht möglich. Man hat deshalb dem Transistorschalter zur Verkleinerung des Kurzschlußstromes eine Drossel vorgeschaltet, um den Stromanstieg des Kurzschlußstromes zu begrenzen, so daß der Strom in der Ausblendzeit der Überwachung und der Speicherzeit des Transistors geringere Werte annehmen kann, als bei Betrieb ohne Drossel. Dadurch können bei relativ hohem Basisstrom nur kleine Spitzenwerte des Kollektorstromes entstehen.

   Für Transistorschalter, welche mit einem Pulsregime betrieben werden, erreicht der Kurzschlußstrom ebenfalls den Endwert, der durch den Basisstrom vorgegeben ist, da der Strom bei jeder erneuten Zuschaltung im Pulszyklus weiter ansteigt. Die bekannten Kurzschluß- bzw. Überstromschutzschaltungen sperren den Ansteuerimpuls für den Transistor bei jeder Schwellwertüberschreitung des vorgegebenen Stromgrenzwertes, die beispielsweise schon durch Einschaltstromstöße erreicht werden kann. Für im Pulsbetrieb arbeitende Transistorschalter bedeutet das, daß mit jedem neuen Einschaltimpuls der Transistor erneut zugeschalten und bei noch bestehender Überlastung von der Ansteuereinheit wieder gesperrt wird. Für viele Schalttransistoren ist jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Einschaltungen bei Überlast zulässig. Man hat deshalb die aufeinanderfolgenden Überlastfälle, die durch das Zuschalten im Pulsregime entstehen, durch einen Zähler erfaßt und läßt erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Überlasteinschaltungen den Transistor durch die Ansteuereinheit sperren. (DE-OS 3138282) Für den Überstromschutz von in Pulsstellem eingesetzten Transistoren hat die unmittelbare Abschaltung des Transistors zur Folge, daß nach einem einmal auftretenden Überstrom der Pulssteller endgültig außer Betrieb gesetzt wird. Die Anlage wird damit störempfindlich. Mit einer bekannten Schaltung (DE-OS 3109482) hat man für Gleichstromsteller diesen Nachteil dadurch beseitigt, daß der Gleichstromsteller erst abschaltet, wenn der Kurzschluß über längere Zeit besteht, d.h. wenn nach mehreren Einschaltimpulsen immer noch ein Kurzschluß vorliegt. Damit ist der Gleichstromsteller gegen kurzzeitige Störungen im Lastkreis unempfindlich. Hierzu ist neben der jedem Transistor zugeordneten Überlastschutzeinrichtung eine zusätzliche Vergleichsschaltung vorgesehen, die den gemessenen Laststrom mit einem Sollstrom vergleicht und bei dessen