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Die
Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgungsschaltung, die dazu
dient, einer elektronischen Schaltung Strom zuzuführen, die
beispielsweise in einer bei einem Wechselstromkreis verwendeten
Vorrichtung wie z.B. einem Erdschluss-Schutzschalter enthalten ist.
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4 zeigt
den Gesamtaufbau eines Erdschluss-Schutzschalters. Dieser Erdschluss-Schutzschalter 1 von 4 ist
eine Vorrichtung, welche einen Stromspeisekreis, der einen Lastkreis
einschließt
(z. B. einen mit einer wechselstromquellenseitigen Anschlussklemme 2 verbundenen
Wechselstromspeisekreis und einen mit einer lastseitigen Anschlussklemme 3 verbundenen
Elektromotor), auf einen Erdschluss hin überwacht und bei Erfassung
eines Erdschlusses das System abschaltet, um diesen Stromspeisekreis
vor dem Erdschluss zu schützen.
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Um
eine solche Aufgabe zu erfüllen,
weist der Erdschluss-Schutzschalter 1 auf: eine Ein/Aus-Kontaktanordnung 8,
die den Kontakt mit dem Stromspeisekreis herstellt oder unterbricht;
einen Nullphasen-Stromwandler 5, der in den Stromspeisekreis
eingesetzt ist, um im Stromspeisekreis den Erdschlusssfrom zu erfassen;
eine Erdschluss-Erfassungsschaltung 6, die aus einer elektronischen
Schaltung besteht, welche, basierend auf einem vom Nullphasen-Stromwandler 5 ausgegebenen
Signal, über
das Vorliegen eines Erdschlusses entscheidet; eine Auslöseeinrichtung 7,
welche durch das von der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 gelieferte
Erdschluss-Erfassungssignal angesteuert wird, um die Ein/Aus-Kontaktanordnung 8 des
Stromspeisekreises abzuschalten; und eine Gleichstromversorgungsschaltung 4,
welche eine vom Stromspeisekreis zugeführte Wechselspannung in eine
Gleichspannung umwandelt, um die Gleichspannung der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 und
der Auslöseeinrichtung 7 zuzuführen.
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Diese
Gleichstromversorgungsschaltung 4 hat eine Gleichrichterfunktion,
und zwar für
eine dreiphasige oder eine einphasige Wechselspannung, um diese
in eine Gleichspannung umzuwandeln und diese Gleichspannung zur
Stabilisierung auf einen Wert abzusenken, mit dem die Erdschluss-Erfassungsschaltung
oder dergleichen arbeiten kann.
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5 zeigt
ein Beispiel einer herkömmlichen Technik
für eine
Gleichstromversorgungsschaltung. Bei dieser herkömmlichen Stromversorgungsschaltung
wird eine dreiphasige Wechselspannung durch eine Gleichrichterschaltung 41 gleichgerichtet,
um sie in eine Gleichspannung umzuwandeln. Eine Konstantstromschaltung 43 sorgt
dann für
eine Konstantstromregelung, um eine an der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 und
der Auslöseeinrichtung 7 anliegende
Spannung so zu regeln, dass die Spannung einen geringeren Spannungswert
hat.
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Die
Konstantstromschaltung 43 ist aus einem Transistor Tr1, einer Zenerdiode ZD1,
und Widerständen
r1 und r2 aufgebaut.
Die Basisspannung des Transistors Tr1 ist
eine konstante Spannung, die durch die Zenerspannung der Zenerdiode
ZD1 bestimmt ist. Somit sorgt der Transistor
Tr1 für
eine solche Regelung, dass der vom Emitter ausgegebene Strom Ie ungeachtet der Größe einer Eingangsspannung Vi konstant ist. Wie durch die Formel (1)
definiert ist ein der Last zugeführter
Strom I die Summe aus einem Strom Ie, der
auf seiten des Emitters des Transistors Tr1 fließt, und
einem Strom Ib, der auf seiten der Zenerdiode
ZD1 fließt (siehe Formel (1)).
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Die
Werte der Widerstände
r1 und r2 sind allgemein
so gewählt,
dass I ≅ Ie, und Ie > Ib.
Somit ist, wie sich Formel (2) entnehmen lässt, der Wert des Stromes I
durch die Zenerspannung VZ1 der Zenerdiode
ZD1 und den Steuerwiderstand r2 bestimmt,
da die Spannung Ve zwischen der Basis und
dem Emitter des Transistors Tr1 fast gleich
groß wie
die Zenerspannung VZ1 der in diese Schaltung
eingesetzten Zenerdiode ZD1 ist. Den Strom,
der in den Widerstand r1 und in die Zenerdiode
ZD1 fließt, erhält man durch Formel (3). I = Ie +
Ib (1) Ie =
Ve/r2 = VZ1/r2 (2) Ib =
(Vi – Vb)/r1 (3)
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In
den oben angegebenen Formeln repräsentiert "I" den
Laststrom, "Ie" repräsentiert
den Strom, der in den Widerstand r2 fließt, "Ib" repräsentiert
den Strom, der in den Widerstand r1 und
die Zenerdiode ZD1 fließt, "Vi" repräsentiert
die gleichgerichtete Spannung, "Vb" repräsentiert
die Basisspannung des Transistors Tr1, und "Ve" repräsentiert
die Klemmenspannung des Widerstands r2.
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Der
Ausgangsstrom dieser Gleichstromversorgungsschaltung 4 wird
dem Kondensator C2, der Auslöseeinrichtung 7 und
der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 zugeführt. Wenn
die Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 bei
Erfassung eines Erdschlusses einem Thyristor TH ein als Steuersignal
dienendes Erdschluss-Erfassungssignal zuführt, wird dieser Thyristor
TH angeschaltet, um eine Auslösespule
TC der Auslöseeinrichtung 7 anzusteuern, die
einen Auslösemechanismus 71 betätigt, um
ein (nicht dargestelltes) Schaltschloss der Kontaktanordnung 8 abzuschalten,
wodurch die Stromquelle abgeschaltet wird. Eine Zenerdiode ZD2 ist vorgesehen, um für die zur Ansteuerung der Auslösespule
TC benötigte
Spannung zu sorgen.
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Wenn
sich die Betriebsspannung in einem engen Bereich befindet (z. B.
wenn die Betriebsspannung auf einen Wert von 100 V oder 200 V festgelegt ist)
oder wenn der Laststrom I relativ groß ist (z. B. wenn der Laststrom
I einen Wert gleich oder größer einigen
Ampere hat), kann diese herkömmliche Schaltung
den Laststrom I sogar bei schwankender Betriebsspannung auf einem
festen Wert halten. Wenn jedoch eine derartige Schaltung tatsächlich in einem
Erdschluss-Schutzschalter zum Einsatz kommt, kann die Betriebsspannung
einen beliebigen Wert zwischen 100 V und 400 V annehmen und der von
der Erdschluss-Erfassungsschaltung oder dergleichen benötigte Strom
ist gering (z. B. einige mA). In diesem Fall ist der in der Zenerdiode
ZD1 der Konstantstromschaltung fließende Strom
Ib gering (z. B. hat der Strom Ib einen Wert in der Größenordnung von einigen hundert μA), kann
jedoch nicht vernachlässigt
werden, wenn der Laststrom I gering ist.
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Aus
diesem Grund kann, wenn eine herkömmliche Schaltung mit einer
Spannung in einem Bereich von 100 V bis 400 V verwendet wird, der Ausgangsstrom
Ie des Transistors Tr1 auf
einem konstanten Pegel gehalten werden, wie in 6 dargestellt.
Jedoch nimmt der Strom Ib, der im Widerstand r1 und dem Stromkreis der Zenerdiode ZD1 fließt,
proportional zur Spannungserhöhung
zu. Demzufolge nimmt der Laststrom I (der die Summe aus Ib und Ie ist) in Übereinstimmung
mit der Spannungserhöhung zu,
wie in 6 dargestellt.
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Wenn
sich der der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 zugeführte Strom
in dieser Weise ändert, hat
eine analoge Verstärkerschaltung
oder ein Komparator (nicht dargestellt), die in dieser verwendet werden,
unterschiedliche Betriebsbedingungen, und die Erdschluss-Erfassungscharakteristik ändert sich in
Abhängigkeit
von der Betriebsspannung, was verhindert, dass sich eine stabile
Erfassungsgenauigkeit erzielen lässt.
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Um
einen derartigen Nachteil zu vermeiden, wurde eine Stromversorgungsschaltung,
wie in der JP 2000-357446 A offenbart, als Konstantstrom-Versorgungsschaltung
vorgeschlagen, die einen relativ stabilen Strom zuführen kann,
sogar wenn eine signifikante Änderung
der Betriebsspannung erfolgt.
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7 zeigt eine in der JP 2000-357446
A dargestellte Stromversorgungsschaltung. Die Konstantstromschaltung 43 von 7 beinhaltet zwei Transistoren
Tr1 und Tr2 und
drei Widerstände
r1 bis r3. Im übrigen weist
die Konstantstromschaltung 43 fast die gleichen Bestandteile
wie die herkömmliche Schaltung
von 5 auf.
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Bei
der herkömmlichen
Stromversorgungsschaltung von 7 ist
der in den Widerständen
r2 und r3 fließende Strom
gering, und der Spannungsabfall am Widerstand r3 ist
gering, wenn die Betriebsspannung gering ist. Somit hat der Transistor
Tr2 ein niedriges Basispotential und ist
ausgeschaltet. Als Folge davon hat der Transistor Tr1 ein
hohes Basispotential und ist angeschaltet, und ein Laststrom wird über diesen
Transistor Tr1 und den Widerstand r3 der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 zugeführt.
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Wenn
die Betriebsspannung hoch ist, nimmt der in den Widerständen r2 und r3 fließende Strom
zu und die am Widerstand r3 abfallende Spannung
ist hoch. Als Folge davon hat der Transistor Tr2 ein
hohes Basispotential und ist an, und der Transistor Tr1 ist
aus. In diesem Fall wird der Laststrom über den Widerstand r1 und den Transistor Tr2 zugeführt. Mit anderen
Worten kann, dadurch dass der Wert des Widerstandes r1 so
gewählt
ist, dass er mit einer hohen Spannung korrespondiert, der Laststrom
I so begrenzt werden, dass er die gleiche Größe wie bei niedriger Spannung
hat.
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Auf
diese Weise kann die herkömmliche Schaltung
von 7 der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 einen
fast konstanten Strom zuführen, sogar
wenn die Betriebsspannung zwischen 100 V und 400 V schwankt.
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Bei
der herkömmlichen
Stromversorgungsschaltung von 7 ist
gemäß der Betriebsspannung
(d. h. im tatsächlichen
Fall gemäß einem
Strom) jeweils einer der zwei Transistoren angeschaltet (ist leitend),
um für
eine vorbestimmte Konstantstromsteuerung zu sorgen. Jedoch ist diese
herkömmliche Stromversorgungsschaltung
nicht in der Lage, über den
gesamten Bereich eines breiten Betriebsspannungsbereiches einen
genau konstanten Strom zuzuführen,
da bei dieser der Strom von den zwei Transistoren der Last (Erdschluss-Erfassungsschaltung) über unterschiedliche
Schaltungskonstanten aufweisende Stromversorgungspfade zugeführt wird.
Dadurch bedingt kann diese herkömmliche
Schaltung eine durch die Betriebsspannung verursachte Schwankung
der Erdschluss-Erfassungskennlinie ebenfalls nicht vollständig beseitigen.
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Um
einen derartigen Nachteil der herkömmlichen Schaltung zu beseitigen,
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gleichstromversorgungsschaltung,
die einer Erdschluss-Erfassungsschaltung als Last über einen
breiten Betriebsspannungsbereich in stabiler Weise einen konstanten
Strom zuführen
kann, sowie einen Erdschluss-Schutzschalter bereitzustellen, der diese
Gleichstromversorgungsschaltung verwendet.
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Die
zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einer Gleichstromversorgungsschaltung
in Übereinstimmung
mit Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung in Übereinstimmung mit Patentanspruch
3 ist, wenn der Erdschluss-Schutzschalter für einen dreiphasigen Wechselstrom
verwendet wird, jede der Phasen mit der Wechselspannungsseite der
Gleichrichterschaltung jeweils über
einen Widerstand gleichen Wertes verbunden.
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Die
Gleichstromversorgungsschaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus
ermöglicht,
dass, in Übereinstimmung
mit einer Änderung
der Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung, eine Abnahme
oder eine Zunahme des Stroms, welcher der Last vom ersten Transistor
zugeführt
wird, bzw. des Stroms, der vom zweiten Transistor zugeführt wird,
in komplementärer
Weise erfolgt und ermöglicht
somit, dass, ungeachtet der Größe der Gleichrichterschaltungsausgangsspannung,
der Last ein konstanter Strom zugeführt wird. Daher kann ein Erdschluss-Schutzschalter,
welcher diese Gleichstromversorgungsschaltung beinhaltet, bei der
Erdschluss-Erfassungsschaltung über
einen breiten Betriebsspannungsbereich eine stabile Erdschluss-Erfassungscharakteristik
liefern.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es
zeigen:
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1 den
Aufbau einer Gleichstromversorgungsschaltung gemäß einem ersten Beispiel der
Erfindung;
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2 die
Spannungs-Strom-Kennlinie der Gleichstromversorgungsschaltung der
Erfindung;
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3 den
Aufbau einer Gleichstromversorgungsschaltung gemäß einem zweiten Beispiel der Erfindung;
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4 den
elektrischen Aufbau eines allgemeinen Erdschluss-Schutzschalters;
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5 den
Aufbau einer herkömmlichen Gleichstromversorgungsschaltung;
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6 ein
Diagramm der Spannungs-Strom-Kennlinie einer herkömmlichen
Gleichstromversorgungsschaltung; und
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7 den
Aufbau einer weiteren herkömmlichen
Gleichstromversorgungsschaltung.
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1 zeigt
das erste Beispiel der Erfindung. In 1 sind Teile,
die solchen der herkömmlichen Schaltung
entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden
hier nicht detailliert beschrieben.
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Die
Schaltung von 1 unterscheidet sich von der
herkömmlichen
Stromversorgungsschaltung darin, dass die Konstantstromschaltung 42 aus
den Transistoren Tr1 und Tr2,
den Widerständen
r1 bis r3 und einer
ersten Zenerdiode ZD1, und aufgebaut ist.
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Der
Kollektor des Transistors Tr1 der Konstantstromschaltung 42 ist
mit dem Ausgang der Gleichrichterschaltung 41 verbunden,
der Emitter ist mit dem Lastkreis über den Widerstand r2 verbunden, und der Widerstand r1 ist zwischen Kollektor und Basis von Tr,
geschaltet. Die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Tr2 ist
zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Tr1 geschaltet,
und der Widerstand r3 ist zwischen dessen
Emitter und Basis geschaltet. Außerdem ist die Zenerdiode ZD1 zwischen die Basis des Transistors Tr2 und das lastkreisseitige Ende des Widerstands
r2 geschaltet, um die Konstantstromschaltung 42 zu
bilden. Im Gegensatz zum Transistor Tr1 hat
der Transistor Tr2 einen Widerstand r1, der mit einem hohen Widerstandswert von 100
kΩ oder
mehr gewählt
ist. Somit kann die Spannung zwischen Emitter und Kollektor (Verlust)
verringert werden, und daher kann ein Element geringer Kapazität verwendet
werden. Der Widerstand r3 weist ebenfalls
einen Widerstandswert im zweistelligen kΩ-Bereich auf, der so gewählt ist,
dass er ausreichend größer als
der Durchlass-Widerstandswert (ca. 100 Ω) zwischen Emitter und Kollektor
des Transistors Tr2 ist. Daher ist der über den
Widerstand r3 und die Zenerdiode ZD1 zum Lastkreis fließende Strom vernachlässigbar.
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Der
zu regelnde Laststrom I ist durch die Formel (1) definiert, wie
im Fall der herkömmlichen Schaltung.
Jedoch unterscheidet sich diese Schaltung von der herkömmlichen
Schaltung darin, dass der zweite Transistor Tr2 zum
Stromsteuerwiderstand r2 hinzugefügt wurde,
so dass der Strom Ib, der an der Basisseite
des ersten Transistors Tr1 fließt, durch
den zweiten Transistor Tr2 fließt. Als
Folge davon ändert sich
der Strom Ib proportional zur gleichgerichteten Spannung
Vi, wie in 2 dargestellt.
Der Grund dafür
liegt darin, dass das Basispotential des Transistors Tr2 durch
die Zenerdiode ZD1 konstant gehalten wird.
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Wie
zuvor beschrieben nimmt dadurch, dass sich, wie zuvor beschrieben,
der Strom Ib proporional mit der Änderung
der Spannung Vi ändert, das Basispotential des
Transistors Tr1 umgekehrt proportional ab,
da der Spannungsabfall des Widerstandes r1 in Übereinstimmung
mit der Zunahme des Stroms Ib abnimmt, und der Emitterstrom Ie des Transistors Tr1 ändert sich
umgekehrt proportional zur Änderung
der Gleichrichterspannung Vi, wie in 2 dargestellt
ist.
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Weiter
zeigen die Ströme
Ie und Ib eine komplementäre Änderung
bei einer Änderung
der Eingangsspannung Vi. Demzufolge wird
der Strom I, welcher der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 des Lastkreises
zugeführt
wird (d.h. die Summe aus Ie und Ib), konstant gehalten und wird durch Schwankungen
der Eingangsspannung Vi nicht beeinflusst (s. 2).
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Auf
diese Weise kann gemäß dem zuvor
beschriebenen Beispiel ein der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 zugeführter Strom
konstant gehalten werden, sogar wenn sich die Betriebsspannung zwischen
100 V und 400 V signifikant ändert,
wodurch sogar bei schwankender Betriebsspannung eine stabile Erdschluss-Erfassungscharakteristik
geliefert wird. Der konstante zugeführte Strom ermöglicht auch,
dass die Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 konstante Leistungsaufnahme
hat, und somit ist es nicht erforderlich, die von der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 erzeugte
Wärme beim
Erdschluss-Schutzschalter zu berücksichtigen.
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3 zeigt
das zweite Beispiel der Erfindung.
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Die
Stromversorgungsschaltung von Beispiel 2 hat den gleichen Aufbau
wie die Schaltung von Beispiel 1, abgesehen davon, dass der Eingangsseite
der Gleichrichterschaltung 41 der Stromversorgungsschaltung
von Beispiel 1 die Eingangswiderstände r11,
r12 und r13 hinzugefügt wurden.
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Diese
Widerstände
r11, r12 und r13 haben den gleichen Widerstandswert und
ermöglichen,
dass der Transistor Tr1 und der Widerstand
r1 eine verringerte Spannung haben und somit
so betrieben werden, dass die Verlustleistung (Wärmeerzeugung) dieser Elemente
verringert wird. Die Widerstände
r11, r12 und r13 und ein Glättungskondensator C1 am Ausgang der Gleichrichterschaltung 41 bilden
eine Filterschaltung, um eindringende Spannungsspitzen zu absorbieren, so
dass die Erdschluss-Erfassungsschaltung 6 oder dergleichen
vor diesen geschützt
werden kann.
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Demzufolge
kann die Elementgröße des Transistors
Tr1 und des Widerstandes r1 verringert werden,
und ausschließende
Bauteile, wie beispielsweise eine Spannungsstoß-Schutzeinrichtung können bei
der elektronischen Schaltung (z. B. der Erdschluss-Erfassungsschaltung 6)
weggelassen werden, wodurch eine Verkleinerung und eine Verbilligung
der Stromversorgungsschaltung ermöglicht wird.