DE102014221496A1

DE102014221496A1 - Vorrichtung für eine überwachte Schaltstufe

Info

Publication number: DE102014221496A1
Application number: DE102014221496.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-04-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine überwachte Schaltstufe mit Stromquellenverhalten, umfassend einen Lastkreis mit einer Betriebsspannung und einer Last mit einer über der Last abfallenden Lastspannung und eine Steuerungs- und Regelungsschaltung. Die Steuer- und Regelungsschaltung enthält ein in den Lastkreis geschaltetes Stellglied mit einer über dem Stellglied abfallenden Schalterspannung und ein in den Lastkreis mit dem Stellglied in Reihe geschaltetes Strom-Messglied zum Messen eines im Lastkreis fließenden Ist-Laststromes, wobei über der Gesamtheit aus dem Stellglied und dem Strom-Messglied eine Schaltspannung abfällt. Die Steuerungs- und Regelungsschaltung enthält einen mit dem Strom-Messglied gekoppelten Stromregler zur Vorgabe eines Strom-Sollwertes, der eine Strom-Steuergröße an das Stellglied ausgibt. Die Steuerungs- und Regelungsschaltung enthält weiterhin eine Bewertungslogik-Schaltung zum Abschalten des Stellgliedes, wobei durch die Bewertungslogik-Schaltung das Stellglied abschaltbar ist, wenn die Schalterspannung oder die Schaltspannung einen gegebenen Grenzwert übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine überwachte Schaltstufe mit Stromquellenverhalten nach Anspruch 1.
Schaltstufen dienen zum Zu- und/oder Abschalten einer Last in den Stromkreis einer gegebenen Schaltung. Dieser Stromkreis wird auch als Laststromkreis bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik bekannte konventionelle Schaltstufen greifen hierzu in der Regel auf Transistorschaltungen zurück. Beispiele für eine derartige Schaltstufe sind in 9 und 10 gezeigt.
Das Beispiel in 9 zeigt einen Transistor T91. Mit diesem kann ein Gleichstromverbraucher, hier allgemein als Lastwiderstand R 9L bezeichnet, aus- und eingeschaltet werden. Dazu wird über einen Taster Ta 91 eine Steuerspannung an das Gate des Transistors angelegt. In der gezeigten Schaltung ist der Taster Ta 91 geöffnet, es gelangt keine Spannung an das Gate des Transistors T 91. Der Transistor T 91 und damit der Lastwiderstand R 9L sind dadurch ausgeschaltet.
Die Spannung zur Ansteuerung des Gates von T 91 wird mit einer Zener-Diode ZD 91 auf einen für das Gate des Transistors T 91 zulässigen Wert begrenzt. Wird die Taste Ta 91 gedrückt und damit der Kontakt geschlossen, wird der Transistor T 91 zwischen dessen Drain und dessen Source leitend, der Lastwiderstand wird somit eingeschaltet. Der Transistor fungiert somit als ein Schalttransistor, mit dem über eine angelegte Steuerspannung der Lastwiderstand R 9L dem bestehenden Stromkreis zugeschaltet werden kann.
Eine Möglichkeit zur Strombegrenzung am Widerstand R 9L besteht darin, die in 9 gezeigte Grundschaltung mit weiteren Komponenten zu ergänzen. 10 zeigt eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform einer Schaltstufe, bei der bei einem Kurzschluss am Lastwiderstand R 10L der Strom durch den Schalttransistor begrenzt wird. Eine derartige Schaltstufe weist ein so genanntes Stromquellenverhalten auf.
Als Schalttransistor ist in 10 ein Transistor T 101 vorgesehen. In dem gezeigten Beispiel wirkt der Transistor T 101 gleichzeitig als ein Stellglied in einer so genannten Konstantstrom-Regelschaltung mit einem weiteren Transistor T 102 und einem Messglied in Form eines Widerstandes R 104 zusammen. Diese Schaltung ist somit gleichermaßen eine Regelschaltung und eine Schaltstufe. Es können dabei die beiden diskreten Schaltzustände „EIN“ oder „AUS“ unterschieden werden. Hinzu kommt ein analoger Bereich, der durch die Konstantstromschaltung erreicht werden kann. Der analoge Bereich bildet ein Kontinuum von Werten, das möglichst schnell durchfahren werden muss, um die Umschalt-Verlustleistung gering zu halten.
Eine solche Schaltung weist somit zwei verschiedene Betriebsarten auf. In der einen Betriebsart arbeitet der Transistor T 101 als Schalter und damit als ein Bauteil mit zwei deutlich voneinander unterschiedenen Betriebszuständen. Dieser Zustand wird als diskrete Betriebsart bezeichnet.
Sobald der Spannungsabfall am Widerstand R 104 einen bestimmten, durch die Stromstärke und die Größe des Widerstandes bezeichneten Wert überschreitet, beginnt der Transistor T 102 zu leiten. Dadurch wird die Gatespannung am Transistor T 101 verringert. Der vorher noch faktisch diskrete Schaltzustand des Transistors T 101 geht nun in einen Bereich über, in dem der Transistor T 101 als Stellglied wirkt. In der Folge wird der Stromfluss im Lastkreis auf den mit dem Widerstand R 104 vorgegebenen Konstantstrom begrenzt. Dieser Betriebszustand wird auch als analoger Bereich bezeichnet.
Der Übergang in den analogen Bereich ist mit einer erhöhten Verlustleistung der Schaltstufe verbunden. Zwar lassen sich mit einer solchen Schaltung Beschädigungen des Schalttransistors durch unzulässig hohe Stromstärken an der Schaltstufe sehr sicher vermeiden. Die Schaltstufe bietet aber keinen Schutz gegen eine unzulässig hohe Verlustleistung am Schalttransistor selbst. Natürlich sind auch andere Formen einer Konstantstromregelung, insbesondere auch mit integrierten Schaltkreisen, möglich. Dies ändert aber nichts an den Eigenschaften der Schaltung als solcher.
Da der Transistor T 101 nur dann als analoges Stellglied wirksam wird, wenn der Stromfluss über den Widerstand R 104 den berechneten Wert übersteigt, weist die Schaltstufe mit T 101 normalerweise nur die diskreten Zustände AUS oder EIN auf. In Abhängigkeit von der Regelverstärkung kann der Übergang vom diskreten EIN-Zustand in den analogen Bereich am Transistor T 101 sehr steil sein.
Es besteht die Aufgabe, die nachteiligen Effekte der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltstufen zu beseitigen und eine hierfür geeignete Vorrichtung anzugeben. Die Schaltstufe soll im diskreten Betriebszustand möglichst als ein idealer Schalter fungieren und im analogen Betriebszustand eine minimierte, also idealerweise keine Verlustleistung aufweisen.
Die Aufgabe wird mit einer Schaltstufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung für eine überwachte Schaltstufe mit Stromquellenverhalten vorgesehen. Diese umfasst einen Lastkreis mit einer Betriebsspannung und einer Last mit einer über der Last abfallenden Lastspannung und eine Steuerungs- und Regelungsschaltung.
Die Steuer- und Regelungsschaltung enthält ein in den Lastkreis geschaltetes Stellglied mit einer über dem Stellglied abfallenden Schalterspannung und ein in den Lastkreis mit dem Stellglied in Reihe geschaltetes Strom-Messglied zum Messen eines im Lastkreis fließenden Ist-Laststromes. Über der Gesamtheit aus dem Stellglied und dem Strom-Messglied fällt eine Schaltspannung ab.
Die Steuerungs- und Regelungsschaltung enthält einen mit dem Strom-Messglied gekoppelten Stromregler zur Vorgabe eines Strom-Sollwertes. Dieser gibt eine Strom-Steuergröße an das Stellglied aus. Weiterhin enthält die Steuerungs- und Regelungsschaltung eine Bewertungslogik-Schaltung zum Abschalten des Stellgliedes, wobei durch die Bewertungslogik-Schaltung das Stellglied abschaltbar ist, wenn die Schalterspannung oder die Schaltspannung einen gegebenen Grenzwert übersteigt.
Der so ausgebildeten Vorrichtung liegt der Gedanke zugrunde, den Betrieb der Schaltstufe mit Strombegrenzung durch eine Steuer- und Regelungsschaltung zu ergänzen, die den Betrieb des Stellgliedes selbst überwacht, um dieses beim Vorliegen bestimmter Kriterien abzuschalten. Die so aufgebaute Schaltstufe wirkt in den diskreten Zuständen wie ein Schalter, dem eine Konstantstromschaltung zugeordnet ist. Die Bewertungslogik-Schaltung registriert während dieser Zustände fortlaufend die über die Schaltstufe oder deren Komponenten abfallende Spannung. Im diskreten Einschaltzustand, in welchem das Stellglied als ein faktisch widerstandsloser Schalter arbeitet, fällt über diesem Bauteil praktisch keine Spannung ab. Sobald aber die Strombegrenzung über den Regelkreis aus Strom-Messglied, Stromregler und Stellglied strombegrenzend in Aktion tritt und somit die Schaltstufe als Ganzes in den analogen Bereich übergeht, wirkt das Stellglied nicht mehr als Schalter. In diesem Fall fällt nun eine deutlich von Null verschiedene Spannung über dem Stellglied selbst wie auch über der gesamten Schaltstufe ab. Sobald die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, schaltet die Bewertungslogik-Schaltung das Stellglied ab, sodass an dem Stellglied keine Verlustleistung anfällt.
Bei einer Ausgestaltung weist die Bewertungslogik-Schaltung einen externen Einschaltzugang auf, mit dem ein Einschalten des Stellgliedes ausführbar ist. Dieser Einschaltzugang erlaubt ein zwangsweises Versetzen der Schaltstufe in den Einschaltzustand. Fließt in der Folge im Lastkreis ein Überstrom, wird dieser zunächst durch das Konstantstromverhalten der Schaltstufe begrenzt. Danach erfolgt eine sofortige Abschaltung der Schaltstufe über die vorher beschriebene Mitkopplung.
Bei einer Ausführungsform bildet die überwachte Schaltstufe ein bistabiles Relais in einer ersten Ausführungsform. Die Bewertungslogik-Schaltung überwacht die Schaltspannung und ist über eine Schwellwertverzögerung mit der Schaltspannung mitgekoppelt, wobei durch die Mitkopplung ein Abschaltzustand des Stellgliedes bis zum Betätigen des externen Einschaltzugangs beibehaltbar ist. Der Abschaltzustand wird somit durch die voll durchgesteuerte Mitkopplung bewirkt. Der Einsatzbeginn der Mitkopplung wird dabei durch den Schwellwert bestimmt. Wir der Schwellwert überschritten, so wirkt die Mitkopplung so lange weiter, bis die Schaltstufe vollständig abgeschaltet ist. Es wird hier somit ein Trigger-Effekt realisiert.
Eine solche Ausführungsform beinhaltet somit eine Speicherfunktion. Das Stellglied bleibt in diesem Falle auch dann abgeschaltet, wenn die Bedingungen für dessen analogen Betriebszustand nicht mehr vorliegen. Ein Rücksetzen dieses Zustandes, d.h. ein Wiedereinschalten des Stellgliedes findet nur dann statt, wenn der externe Einschaltzugang mit einem entsprechenden Signal beaufschlagt wird.
Bei einer Ausgestaltung weist das bistabile Relais der ersten Ausführungsform außerdem einen externen Abschaltzugang zum Erzwingen des Abschaltzustandes des Stellgliedes auf. Dieser externe Abschaltzugang dient dazu, ein Abschalten des Stellgliedes unabhängig von den konkret vorliegenden Bedingungen zu erzwingen.
Bei einer Ausgestaltung erhält der externe Einschaltzugang das Einschaltsignal durch eine die Zeitdauer des Schaltvorganges begrenzende externe Impulsschaltung. Hierdurch sollen gefährlich lange oder permanente Einschaltzustände des Stellgliedes durch eine Permanentbetätigung des Einschaltzuganges vermieden werden.
Bei einer weiteren Variante bildet die überwachte Schaltstufe ein bi-stabiles Relais in einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zum bistabilen Relais der ersten Ausführungsform überwacht beim bistabilen Relais der zweiten Ausführungsform die Bewertungslogik die Schalterspannung. Die Bewertungslogik ist als ein Differenzverstärker oder ein Komparator ausgebildet. Die Schwellwertverzögerung ist durch eine Schaltschwelle des Differenzverstärkers oder Komparators realisiert, wobei durch die Schaltschwelle der Abschaltzustand des Stellgliedes bis zum Betätigen eines externen Einschaltzugangs beibehaltbar ist.
Bei dieser Ausführungsform kann ergänzend der externe Einschaltzugang als ein invertierender Eingang am Differenzverstärker oder Komparator ausgebildet sein, wobei durch eine Betätigung des invertierenden Eingangs eine temporäre Abschaltung einer Mitkopplungsspannung ausführbar ist.
Bei einer Ausgestaltung der vorhergehend genannten Ausführungsformen ist der externe Einschaltzugang als eine Optokopplerschaltung ausgebildet, wobei die Optokopplerschaltung ein Zeitglied zur zeitlichen Begrenzung der Einschaltimpuls-Dauer aufweist. Dadurch wird vermieden, dass der externe Einschaltzugang in einen gefährlich langen, möglicherweise sogar permanenten Einschaltzustand gesetzt wird, sondern nur für eine begrenzte Zeitdauer betätigt wird und nur ein zeitlich eng begrenztes Schaltsignal empfängt.
Bei einer Ausführungsform bildet die überwachte Schaltstufe eine Wechselstromrelais-Schaltung. Bei dieser ist ein Wechselstromkreis mit einer Wechselstromlast, ein einer Gleichrichterschaltung nachgeordneter Gleichstromkreis vorgesehen, wobei in dem Gleichstromkreis mindestens ein Gleichstromrelais zur An- und Abschaltung der Wechselstromlast vorgesehen ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform bilden mindestens zwei überwachte Schaltstufen eine Wechselstromrelais-Schaltung, bei der ein Wechselstromkreis mit einer Wechselstromlast, zwei der Gleichrichterschaltung nachgeordnete Gleichstromkreise für jeweils positive und negative Halbwellen und in jedem der Gleichstromkreise mindestens jeweils ein Gleichstromrelais zur An- und Abschaltung der Wechselstromlast vorgesehen sind.
Bei der letztgenannten Ausführungsform bildet die überwachte Schaltstufe somit ein Wechselstromrelais, bei dem ein Wechselstromkreis mit einer Wechselstromlast, eine Gleichrichterschaltung und ein der Gleichrichterschaltung nachgeordneter Gleichstromkreis zur stromrichtigen Beaufschlagung mindestens eines Gleichstromrelais zur Überwachung mindestens einer Wechselstromhalbwelle ausgebildet sind.
Die Wechselstromlast kann ein spannungssynchron an den Wechselstromkreis geschalteter Kompensationskondensator sein. Bei einer asynchronen Zuschaltung wird der Verschiebestrom strombegrenzt und sofort bis zum nächsten Nulldurchgang abgeschaltet. Die durch das Wechselstromrelais faktisch gewährte Spannungssynchronität einer vollzogenen Zuschaltung erlaubt einen Wegfall der sonst in einem solchen Fall notwendigen Filtereinrichtungen.
Die überwachte Schaltstufe gemäß den vorgenannten Ausführungsformen kann mindestens teilweise als eine integrierte Schaltung ausgeführt sein.
Die Vorrichtung soll nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 8. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt:
1 grundsätzliche Komponenten der erfindungsgemäßen Schaltstufenvorrichtung zur Darstellung ihrer Wirkungsweise,
2 eine Ausführungsform der überwachten Schaltstufe mit einer Überwachung der Schaltspannung,
3 eine Ausführungsform der überwachten Schaltstufe als bistabiles Relais mit einer Überwachung der Schalterspannung,
4 eine Ausführungsform der überwachten Schaltstufe als bistabiles Gleichstromrelais,
5 eine Ausführungsform der überwachten Schaltstufe als bistabiles Gleichstromrelais mit Optokopplung,
6 eine Ausführungsform der überwachten Schaltstufe als Wechselstromrelais mit Optokopplung,
7 eine grundlegende Verschaltung einer überwachten Schaltstufe als Wechselstromrelais in einem Gleichstromkreis,
8 eine grundlegende Verschaltung zweier überwachter Schaltstufen als Wechselstromrelais für je eine Halbwelle.
1 zeigt das Wirkprinzip einer erfindungsgemäßen überwachten Schaltstufe mit Stromquellenverhalten als allgemeines Übersichts-Schema in Form eines Blockschaltbildes.
Das Blockschaltbild zeigt einen Lastkreis 1. Dieser enthält eine Last 2. Der Lastkreis weist eine Betriebsspannung U₀ auf. Innerhalb des Lastkreises und an diesen angeschlossen befinden sich Komponenten für eine Steuerungs- und Regelungsschaltung 3. Die Steuerungs- und Regelungsschaltung enthält ein in dem Lastkreis angeordnetes Stellglied 4 sowie ein ebenfalls in dem Lastkreis angeordnetes Strom-Messglied 5. Das Strom-Messglied dient als Sensoreinrichtung für die Messwerterfassung der Ist-Stromstärke im Lastkreis I_ist.
Die Steuer- und Regelungsschaltung enthält weiterhin einen Stromregler 6 mit einem fest vorgegebenen Sollwert I_soll für den Strom im Lastkreis. Dieser Stromregler bildet zusammen mit dem Strom-Messglied einen Regelkreis für den in dem Lastkreis fließenden Strom I als geregelte Größe aus. Der Stromregler gibt hierzu eine Strom-Steuergröße S_I an das Stellglied 4 aus, das entsprechend die Ist-Stromstärke I_ist auf die Soll-Stromstärke I_soll einregelt.
Das Stellglied und das Strom-Messglied sind bezüglich der Last in Reihe geschaltet. Über dem Stellglied fällt dabei eine Schalterspannung U_Schalter und über der Gesamtheit aus dem Stellglied und dem Strom-Messglied eine Schaltspannung U_schalt ab. Die Schalterspannung U_Schalter oder die Schaltspannung U_schalt bilden nun eine Eingangsgröße für eine Bewertungslogik-Schaltung 7. Die Bewertungslogik-Schaltung ist eine weitere Komponente der Steuer- und Regelungsschaltung. Sie weist einen vorgegebenen und schaltungstechnisch realisierten Spannungsgrenzwert U_Limit auf. Die Bewertungslogik-Schaltung schaltet genau dann das Stellglied 4 ab, wenn die Schalterspannung oder die Schaltspannung den Spannungsgrenzwert erreicht. Zu diesem Zweck ist innerhalb der Bewertungslogik-Schaltung eine Vergleichsschaltung 8 realisiert, die mit einer internen Stellschaltung 9 zusammenwirkt.
Die Stellschaltung 9 gibt ein Stellsignal S an das Stellglied 4 aus, das dort auf einen schematisch angedeuteten Stellgliedschalter 10 wirkt. Es ist einsichtig, dass auch der Stellgliedschalter als eine Schaltung realisiert sein kann. Die Schalterdarstellung in 1 soll hier nur das Grundprinzip der Stellfunktion verdeutlichen.
Die Bewertungslogik-Schaltung enthält weiterhin einen externen Einschaltzugang 11. Über diesen Einschaltzugang kann ein externes Einschaltsignal E auf die Bewertungslogik-Schaltung gegeben werden, mit dem sich das Stellglied 4 erzwungen einschalten lässt. Symbolisch wird dabei der Stellgliedschalter 10 geschlossen.
Das Stellglied erfüllt somit eine Doppelfunktion, es wirkt einerseits als diskreter Schalter, andererseits als analoge Stelleinheit. Der Stromregler mit fest eingestelltem Sollwert, vergleicht diesen mit dem real am Strom-Messglied auftretenden Istwert des Stromes, der auch durch das Stellglied selbst und durch die Last beeinflusst ist. Sobald der gemessene Strom im Lastkreis größer als der eingestellte Sollwert am Stromregler ist, wird das Stellglied so weit abgeregelt, bis sich der vorgesehene Maximalwert für den Ist-Strom durch Last, Stellglied und Messglied einstellt. Die Anordnung ist gegen unzulässig hohe Ströme sicher geschützt.
Wie bereits erwähnt, wird durch diese Schaltung eine Auswertung der Spannung über den Anschlüssen des Stellgliedes, d.h. der Schalterspannung U_Schalter oder eine Auswertung der Spannung über der Gesamtheit des Stellgliedes und dem Strom-Messglied, d.h. der Schaltspannung U_schalt ausgeführt. Je nach Zweckmäßigkeit können für die Auswertung der Schalterspannung beispielsweise ein Differenzverstärker oder auch ein Komparator verwendet werden.
Es ist aber auch möglich, die Schaltspannung U_schalt zur Auswertung zu nutzen, da im analogen Bereich des Stellgliedes die Spannung am Strom-Messglied im Wesentlichen konstant bleibt. Bei dieser Lösung wird die Überwachung besonders einfach. Wird ein in der Bewertungslogik-Schaltung implementierter Schwellwert U_Limit für die Schaltspannung überschritten, dann wird das Stellglied abgeregelt.
Dieses Abregeln des Stellgliedes geschieht intern dadurch, indem die Spannung für die Schaltersteuerung des Stellgliedes verringert wird. Das dann nicht mehr diskret arbeitende Stellglied vergrößert die genannten Spannungsabfälle. In einer dann wirksamen Mitkopplung schaltet die Schaltersteuerung das Stellglied vollständig ab. Von wesentlicher Bedeutung ist somit eine mit einem Schwellwert behaftete Mitkopplung der Schaltstufe, die bei Überschreitung eines vorgesehenen Schaltpunktes, das Stellglied regenerativ abschaltet. Der Begriff „regenerativ“ bedeutet, dass sich ein einmal eingeleiteter Abschaltvorgang durch die Wirkung der Mitkopplung, in sich beschleunigender Weise bis zur vollständigen Abschaltung fortsetzt. Dadurch kann die wirksame Verlustleistung beim Schaltvorgang am Stellglied besonders gering gehalten werden.
Der Zustand des regenerativen Abschaltens bleibt so lange bestehen, bis die Betriebsspannung unterbrochen wird, oder die Spannung am Eingang der Bewertungslogik-Schaltung mindestens kurzzeitig auf Null gesetzt wird. Die durch den Schwellwert behaftete Mitkopplung realisiert somit einen Speicher, dessen Zustand durch bestimmte Maßnahmen gelöscht werden kann.
Die überwachte Schaltstufe kann in verschiedener Weise ausgeführt werden. Möglich ist sowohl deren Realisierung in Form einzelner Bauelemente auf einer Platine oder deren zumindest teilweise Zusammenfassung in einer integrierten Schaltung. Die integrierte Schaltung kann insbesondere in Gestalt einer Dickschicht-Hybridtechnik unter Verwendung von Keramiksubstraten ausgeführt werden. Je nach Erfordernis werden hierbei vor allem die Bauelemente des Stellgliedes 4, des Strom-Messgliedes 5, des Stromreglers 6 und/oder der Bewertungslogik-Schaltung 7 integriert. Dabei kann auf die Schaltpläne der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele zurückgegriffen werden.
2 zeigt eine beispielhafte schaltungstechnische Realisierung einer überwachten Schaltstufe und deren Funktion, bei der die Schaltspannung U_schalt gemäß 1 ausgewertet wird. Die erfindungsgemäße Schaltstufe bildet dabei die wesentliche Funktionsgruppe eines bistabilen Relais in Minimalkonfiguration.
Über einen Widerstand R 21 und eine Z-Diode ZD 21 wird eine Spannung gewonnen, mit der das Gate eines VMOS-Transistors T 23 zu dessen Einschaltung und Regelung angesteuert werden kann. Der Transistor T 23 wirkt hierbei also als das Stellglied der Schaltung. Ein Arbeitswiderstand R 22 bewirkt eine analoge Oder-Funktion für die Stromquelle, ein Taster Ta 21 zur Ausschaltung der Schaltstufe mit einem Transistor T 23, und für die Mitkopplung durch einen Transistor T 21. Die Stromregelung wird durch den Transistor T 23 als Stellglied und Schalter, R 25 als Strom-Messglied und T 22 als Regeltransistor und somit als Stromregler realisiert.
Für die nachfolgende Darstellung soll zunächst angenommen werden, dass der Transistor T 23 und damit auch ein Lastwiderstand R 2L des Laststromkreises normal eingeschaltet sind. Der Istwert für den Laststrom wird über den Spannungsabfall am Widerstand R 25 registriert. Der Widerstand R 25 wirkt somit als das Strom-Messglied der hier gezeigten Schaltung. Im zunächst angenommenen Normalbetrieb reicht dieser Spannungsabfall nicht aus, um den Regeltransistor T 22 in den leitenden Zustand zu steuern. Der Schaltstufentransistor T 23 befindet sich in diesem Falle in einem quasi vollständig leitenden Zustand zwischen dessen Drain und dessen Source. Er nimmt dadurch einen diskreten Ein-Zustand ein und wirkt wie ein geschlossener Schalter. Damit liegt der Spannungsabfall über dem Kanal von T 23 auf dessen kleinstmöglichen Wert.
Zum Bewirken der Mitkopplung ist ein Spannungsteiler vorgesehen. Dieser besteht aus einem Widerstand R 23 und einem Widerstand R 24. Der Spannungsteiler liegt mit dem Widerstand R 24 an der Schaltspannung U_schalt an. Die geteilte Spannung an der Basis des Mitkopplungstransistors T 21 weist einen kleineren Wert als beispielsweise 0,5 Volt auf. Da sich im Diodenbereich zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors T 21 ein Schwellwert ergibt, wirkt die Mitkopplung verzögert. Diese durch den Schwellwert verzögerte Mitkopplung ist ein entscheidendes Merkmal der hier gezeigten Anordnung.
Tritt am Lastwiderstand R 2L ein Kurzschluss auf, steigt der Spannungsabfall über den Widerstand R 25 auf einen Wert, der schließlich den Transistor T 22 in den leitenden Zustand steuert. Als unmittelbare Folge davon verringert sich die Gatespannung am Transistor T 23 und die Schaltspannung U_schalt über T 23 und R 25 steigt an. Damit erhöht sich auch die Spannung an der Basis des Transistors T 21. Als Folge davon regelt dieser die Gatespannung an dem Transistor T 23 noch weiter herab. Als Folge davon wird die Gatespannung für den Transistor T 23 regenerativ abgeregelt, bis der Kanal des Transistors T 23 vollständig sperrt. Der Transistor T 21 wirkt in diesem Beispiel zusammen mit den Widerständen R 23 und R 24 also im Sinne der Bewertungslogik-Schaltung gemäß 1.
Solange die Betriebsspannung nicht abgeschaltet oder die Mitkopplungsspannung an der Basis des Transistors T 21 nicht auf Null gesetzt wird, bleibt dieser abgeregelte Zustand gespeichert. Er bleibt insbesondere auch dadurch erhalten, weil am Transistor T 21 die verzögerte Mitkopplung wirkt. Der durch diese verzögert wirkende Mitkopplung resultierende Speichereffekt ist ein weiteres entscheidendes Merkmal der hier gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung.
Bei einem eingeschalteten Lastwiderstand unter normalen Betriebsbedingungen kann dieses beschriebene Abregeln des Transistors T 23 und damit die Abschaltung des Stellgliedes jederzeit auch durch das Betätigen des Tasters Ta 21 erzwungen werden. Die Abschaltung erfolgt dadurch, indem durch das Schließen des Tasters die Gatespannung des Transistors T 23 auf Null gesetzt wird. Dadurch sperrt dessen Kanal und die Schaltspannung erreicht nahezu den Wert der Betriebsspannung. Die dabei über den Transistor T 21 wirkende Mitkopplung bewirkt, dass dieser Zustand ebenfalls gespeichert wird. Der Taster Ta 21 kann daher nach der Betätigung wieder geöffnet werden. Der Transistor T 23 und damit das Stellglied kann somit durch ein externes Signal in den abgeschalteten Zustand versetzt werden.
Sofern kein Kurzschluss am Lastwiderstand R 2L vorliegt, kann die Schaltstufe mit dem Taster Ta 22 wieder eingeschaltet werden. Durch das Schließen des Schalters Ta 22 wird die Spannung am Mitkopplungstransistor T 21 zumindest vorübergehend auf Null gesetzt. Dadurch liegt die volle Gatespannung am Transistor T 23 an, dieser wird wieder in den leitenden Zustand versetzt und die Spannung innerhalb der Mitkopplungsschleife sinkt an der Basis des Transistors T 21 unter den Schwellenwert. Der aus der Mitkopplung resultierende Speicher wird somit wieder gelöscht. Der Taster Ta 22 wirkt somit als ein Signalgeber für ein externes Einschaltsignal E des Stellgliedes gemäß der Darstellung in 1.
Eine länger andauernde Einschaltzeit oder ein permanentes Betätigen des Tasters Ta 22 ist, besonders dann, wenn ein Kurzschluss im Lastkreis vorliegt, gefährlich. Denn durch die während des eingeschalteten Zustandes auftretende Aufhebung der Mitkopplungswirkung wird auch die am Transistor T 23 wirkende Verlustleistung nicht überwacht. In der praktischen Anwendung ist somit für das Einschalten des Stellgliedes, d.h. hier des Transistors T 23, eine Impulsschaltung erforderlich, die die Dauer des Einschaltvorgangs und daher die Dauer der Außerkraftsetzung der Mitkopplung, auf eine bestimmbare Länge begrenzt. Diese Impulsschaltung ist ebenfalls ein Merkmal der erfinderischen Anordnung. Die Art der Impulsschaltung selbst ist für die erfinderische Funktion der überwachten Schaltstufe jedoch ohne ausschlaggebende Bedeutung. Hier können verschiedene Impulsschaltungen zur Anwendung kommen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
3 zeigt ein bistabiles Relais, in dem wieder die überwachte Schaltstufe als wesentliche Komponente enthalten ist. Für die Mitkopplung wird hierbei die Schalterspannung überwacht. Dazu ist entweder ein Differenzverstärker oder, wie gezeigt, ein Komparator erforderlich.
Die Konstantstromquelle besteht aus einem Transistor T 31 als Konstantstrom-Regeltransistor und somit als Stromregler und einem Transistor T 32 als Stellglied. Die Einschaltung erfolgt durch die temporäre Abschaltung der Mitkopplungsspannung am invertierenden Eingang eines Komparators IC 31, mit einem Taster Ta 32. Da keine Zeitbegrenzung vorhanden ist, besteht wieder die Gefahr einer thermischen Überlastung des Transistors T 32 bei einem Kurzschluss an einem in der Schaltung vorhandenen Lastwiderstand R 3L. Ausgeschaltet wird das Stellglied mit einem Taster Ta 31, indem mindestens kurzzeitig, die Gatespannung am Transistor T 32 so verringert wird, dass die Wirkung der Mitkopplung durch die ansteigende Schalterspannung einsetzt.
Zur Darstellung der Funktionsweise der in 3 gezeigten Anordnung wird zunächst angenommen, dass die Schaltstufe bereits eingeschaltet ist. Es soll der normale, berechnete Strom durch den Lastwiderstand R 3L, das Stellglied mit dem Transistor T 32 und das Strom-Messglied in Form des Widerstandes R 31 fließen. Der Spannungsabfall über dem Widerstand R 31 reicht gerade noch nicht aus, um den Regeltransistor T 31 in den leitenden Zustand zu steuern. Für dieses Beispiel soll diese Spannungsschwelle etwa 0,6 Volt sein. Unter diesen Bedingungen liegt am Transistor T 32 eine Gatespannung an, durch die dessen Kanal vollständig leitend wird. Die Gatespannung des Transistors T 32 wird dabei über einen Widerstand R 34, vom Ausgang des Komparators IC 31 als ein H-Pegel bereitgestellt.
Es wird weiterhin angenommen, dass ein durch die Widerstände R 32 und R 33 gebildeter Mitkopplungsteiler der Schaltung am invertierenden Eingang des Komparators die halbe Drainspannung des Transistors T 32 bereitstellt. Der Spannungsabfall über dem voll geöffneten Kanal von T 32 soll in diesem Beispiel 0,3 Volt betragen. Damit liegt am invertierenden Eingang des Komparators IC 31 die Hälfte der Summe der Spannungsabfälle über R 31 und dem Kanal von Transistor T 32 an. Im hier beispielhaften Fall von angenommenen 0,6 Volt am Widerstand R 31 und 0,3 Volt am Transistor T 32 würde demzufolge am invertierenden Eingang eine Spannung von (0,6 Volt + 0,3 Volt):2 = 0,45 Volt anliegen. Da am nichtinvertierenden Eingang eine Spannung von 0,6 Volt anliegt, liegt der Ausgang des Komparators somit auf dem H-Pegel. Die Schaltstufe ist eingeschaltet und dieser Zustand ist gespeichert.
Dies ändert sich mit einem Kurzschluss am Lastwiderstand R 3L. Tritt am Lastwiderstand R 3L ein Kurzschluss auf, beginnt der Transistor T 31 zu leiten. Der Spannungsabfall über den Widerstand R 31 soll dabei angenommene 0,7 Volt betragen. Dieser steht am nichtinvertierenden Eingang von IC 31 an. Da der Transistor T 31 die Gatespannung des Transistors T 32 abzuregeln beginnt, steigt dessen Drainspannung bis zum Schaltpunkt der Mitkopplung an. Bei einer Drainspannung von 1,4 Volt sind am Komparator schließlich beide Eingangsspannungen gleich. Steigt nun die Spannung am Drain des Transistors T 32 weiter an, dann überwiegt die Spannung am invertierenden Eingang von IC 31. In diesem Fall schaltet der Komparator am Ausgang auf ein L-Signal. Die Gatespannung am Transistor T 32 wird damit so gering, dass dessen Kanal sperrt. Die Schaltstufe wird somit über die Mitkopplung abgeschaltet.
Die Verzögerung des Mitkopplungseinsatzes wird durch die Schaltschwelle des Komparators bestimmt und kann durch das Mitkopplungsteilerverhältnis festgelegt werden. Ist die Schaltstufe abgeschaltet, verbleibt diese in diesem Zustand. Denn der Spannungsabfall über den Widerstand R 31 geht gegen Null und die Drainspannung von Transistor T 32 liegt bei der Betriebsspannung. Somit wirkt auch in diesem Fall der genannte Speichereffekt. Liegt die Betriebsspannung bei einem höheren Wert als die maximal zulässige Eingangsspannung des Komparators, dann ist eine Spannungsbegrenzung erforderlich. Diese kann im einfachsten Falle durch eine Parallelschaltung einer hier nicht gezeigten Z-Diode zum Teilerwiderstand R 33 erfolgen.
4 zeigt beispielhaft ein bistabiles DC-Relais, in dem die überwachte Schaltstufe die wesentliche Komponente bildet. Eine Diode D 401 dient als Verpolungsschutz, ein Widerstand R 401, ein Kondensator C 401 und eine Z-Diode ZD 401, dienen der Bereitstellung der Gatespannung für das Stellglied. Der Lastwiderstand ist hier durch das Bezugszeichen R 4L bezeichnet. Die Betriebsspannung liegt an einer Leitung U B4 an. Das Stellglied ist durch einen Transistor T 404 realisiert. Ein Widerstand R 402 fungiert als Arbeitswiderstand, an dem ein Taster Ta 401, ein Transistor T 402 und ein Transistor T 403 als analoges ODER die Gatespannung am Transistor T 404 beeinflussen können.
Für die Konstantstromquelle wirkt der Transistor T 403 als Stromregler, der Transistor T 404 als Stellglied und ein Widerstand R 407 als Strom-Messglied.
Ein Mitkopplungsteiler bestehend aus Widerständen R 405 und R 406 teilt die Drainspannung, die als Schaltspannung wirksam ist. Der Schaltpunkt wird im Wesentlichen vom Teilerverhältnis, aber auch von der Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors T 402 bestimmt. Besonders bei höheren Betriebsspannungen besteht für die Festlegung des Schaltpunktes durch die Gestaltung des Mitkopplungsteilers aus R 405 und R 406 viel Spielraum. Dies ist auch besonders dann der Fall, wenn wie im vorliegenden Fall, eine hohe Regelverstärkung der Stromquellenschaltung vorhanden ist. Etwas nachteilig ist der relativ hohe Spannungsabfall über dem Widerstand R 407. Beim Einsatz der Begrenzung fallen hier je nach Dimensionierung der Bauelemente beispielsweise 0,6 Volt ab.
Besonders bei größeren Konstantströmen wird an dem Widerstand R 407 eine größere Wärmemenge freigesetzt. In derartigen Fällen ist der Einsatz einer anderen Stromquellenschaltung sinnvoller, wie später noch gezeigt wird. Es wird zunächst angenommen, dass die Anordnung unter normalen Betriebsbedingungen eingeschaltet ist. Das Gate am Transistor T 404 erhält eine Spannung von beispielsweise 5,6 V über den Widerstand R 402. Der Kanal des Transistors T 404 ist vollständig durchgesteuert. Der Konstantstrom wurde beispielsweise auf eine Stromstärke von ca. 2 A festgelegt. Somit liegt der Spannungsabfall am Widerstand R 407 bei Einsatz der Strombegrenzung mit ca. 0,66 Volt fest. Wird angenommen, dass der normale Laststrom aber nur 1 A betragen soll, dann ist der Spannungsabfall am Widerstand R 407 mit 0,33 Volt nicht ausreichend, um den Regeltransistor T 403 in den leitenden Zustand zu steuern. Denn der Spannungsabfall über dem Kanal des Transistors T 404 liegt nur bei wenigen Millivolt und die Teilspannung an der Basis des Transistors T 402 liegt weit unter dem Wert, der als Schwellwert durch die Basis-Emitter-Diode und dem Teiler vorgegeben wird. Das Stellglied mit dem Transistor T 404 wirkt somit als idealer Schalter. Bei einem Dauerstrom durch den Widerstand R 407 von 1 A wird bei einer Spannung eine Leistung von 0,33 Watt freigesetzt, was für einen Dauerbetrieb in der Regel kein Problem darstellt.
Wie im Zusammenhang mit der Darstellung aus 3 bekannt, darf die Abschaltung der Mitkopplung nur über eine begrenzte Zeitdauer hinweg erfolgen, da in dieser Zeit keine Kontrolle der momentan vorliegenden Verlustleistung am Transistor T 404 möglich ist. Dies geschieht durch eine einfache Impulsschaltung, bestehend aus einem Kondensator C 402, den Widerständen R 403 und R 404, sowie einem Transistor T 401. Wird das Gate von T 401 positiv angesteuert, dann wird dessen Kanal leitend und überbrückt den Teilerwiderstand R 405 so, dass die Mitkopplung abgeschaltet wird. Es soll zunächst angenommen werden, dass die Schaltstufe ausgeschaltet ist und kein Strom durch den Kanal von T 404 fließt. Damit ist die Schaltspannung, die am Mitkopplungsteiler liegt, praktisch gleich der Betriebsspannung. Der Mitkopplungstransistor T 402 wird durch die relativ hohe Teilspannung an seiner Basis eingeschaltet und verringert die Gatespannung am Transistor T 404 auf einen Wert, bei dem T 404 den Kanal praktisch vollständig abschaltet.
Soll nun eingeschaltet werden, kann ein hierfür vorgesehener Taster Ta 402 beliebig lange gedrückt werden. Der Kondensator C 402 lädt sich auf, der Spannungsabfall am Widerstand R 404 reicht aus, um den Transistor T 401 in den leitenden Zustand zu steuern. Die Basisspannung am Transistor T 402 wird damit nahezu Null Volt. Damit ist die Mitkopplung vollständig abgeschaltet. Hat sich der Kondensator C 402 aufgeladen, dann geht die Gatespannung am Transistor T 401 auf einen Wert nahe Null zurück, der Kanal von T 401 sperrt wieder und gibt die Mitkopplung wieder frei. Beim Drücken der Taste Ta 402 wurde gleichzeitig am Gate des Transistors T 404, die volle Einschaltung von T 404 bewirkt. Somit steht nach dem Ablauf der vorgesehenen Zeitdauer am RC-Glied aus dem Kondensator C 402 und dem Widerstand R 404, die Wirkung der Mitkopplung wieder voll zur Verfügung. Der Widerstand R 403 hat die Aufgabe, den Kondensator C 402 in einer definierten Zeit zu entladen, damit bei Bedarf eine erneute Einschaltung vorgenommen werden kann. Die Zeitkonstante für das RC-Glied muss so festgelegt sein, dass auch bei einem Kurzschluss am Lastwiderstand R 4L die zulässige Verlustleistung im Zeitabschnitt nicht überschritten wird. Die Wirkung des Tasters Ta 401 entspricht der in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel aus 3 dargestellten Weise.
In 5 ist ein DC-Relais mit Optokoppler und Operationsvertärkern gezeigt, in dem die überwachte Schaltstufe als wesentliche Komponente enthalten ist. Überwacht wird die Schaltspannung entsprechend dem in 1 erläuterten Prinzip.
Als Stellglied und Schalter wirkt hier ein Transistor T 503, der zusammen mit einem Messglied in Form eines Widerstandes R 509 und einem Operationsverstärker IC 501a die Konstantstromquelle bildet. Ein Widerstand R 507 wirkt als Arbeitswiderstand für die Mitkopplung. Der Teiler für die Mitkopplung, bestehend aus Widerständen R 510 und R 511, teilt die Schaltspannung auf den gewünschten Wert für die Schaltschwelle der verzögerten Mitkopplung in Verbindung mit der Flussspannung der Basis-Emitter-Diode eines Transistors T 501. Ein Transistor T 502 dient der temporären Abschaltung der Mitkopplung, zwecks Einschaltung der Schaltstufe mit dem Optokoppler. Der Kondensator C 501 und ein Widerstand R 508 bilden das Zeitglied, mit dem die maximale Einschaltdauer des Transistors T 502 festgelegt werden kann.
Durch den Einsatz eines Operationsverstärkers als Regelverstärker für den Konstantstrom, kann der Spannungsabfall am Strom-Messglied, bzw. am Widerstand R 509 gering gehalten werden. Der Sollwert für den Konstantstrom wird am Spannungsteiler R 505, R 506 eingestellt. Der zweite Operationsverstärker wirkt als Komparator für das Signal eines Optokopplers OK 501. Mit dem Spannungsteiler aus den Widerständen R 502, R 503 wird der Umschaltpunkt vorgegeben. Ein Widerstand R 504 wirkt als Arbeitswiderstand für den Transistor im Optokoppler.
Zur Darstellung der Funktion der Schaltung soll zunächst angenommen werden, dass die überwachte Schaltstufe ausgeschaltet ist. Damit steht am Teiler für die Mitkopplung, die Schaltspannung in Höhe der Betriebsspannung an. Der Transistor T 501 ist leitend und verringert die Gatespannung des Transistors T 503 auf einen Wert, bei dem dessen Kanal vollständig sperrt. Da am Strom-Messglied R 509 praktisch keine Spannung abfällt, liegt die Spannung für den Sollwert des Konstantstromes am nichtinvertierenden Eingang von IC 501a höher, als die zugehörige Ist-Spannung am invertierenden Eingang von IC 501a. Deshalb regelt der Verstärker den Ausgang auf eine hohe Ausgangsspannung, die jedoch über den Widerstand R 507 und den vollständig leitenden Mitkopplungs-Transistor T 501, auf einen relativ kleinen Wert verringert wird.
Dazu kommt hinzu, dass der als Komparator wirkende Operationsverstärker IC 501b einen L-Pegel am Ausgang führt. Deshalb fließt über eine Diode D 502 Strom in dessen Ausgang. Der Widerstand R 507 wirkt hier also wieder als Arbeitswiderstand in einem analogen ODER.
Um die Schaltstufe einzuschalten, wird der Optokoppler OK 501 mit einem Signal U_Ctrl angesteuert. Dabei wird der Fototransistor im Optokoppler leitend, die Spannung am invertierenden Eingang von IC 501b fällt unter die Teilerspannung am nichtinvertierenden Eingang von IC 501b. Dadurch schaltet der Ausgang von IC 501b auf einen H-Pegel. Durch die Diode D 502 hat dies auf die Gatespannung am Transistor T 503 keine direkte Auswirkung. Über das Zeitglied aus dem Kondensator C 501 mit dem Widerstand R 508 erhält das Gate des Transistors T 502 einen positiven Impuls, dessen Kanal wird leitend, wodurch die Mitkopplungsspannung an der Basis des Mitkopplungstransistors T 501 temporär abgeschaltet wird. Damit steht aber die volle Ausgangsspannung von IC 501a als Gatespannung am Transistor T 503 an. Dessen Kanal wird vollständig leitend, die Last wird angeschaltet, die Schaltspannung geht auf einen geringen Betrag zurück. Damit wird der Schaltpunkt der Mitkopplung unterschritten, die Einschaltung ist vollzogen.
Da der Kondensator C 501 bei der Einschaltung des Optokopplers aufgeladen wird, ist die Dauer der mit dem Transistor T 502 erzwungenen Abschaltung der Mitkopplung auf die Dauer der Ladezeit des Kondensators C 501 begrenzt, danach wird der Kanal des Transistors T 502 wieder hochohmig und verliert somit den Einfluss auf die Mitkopplung. Die Art der Impulserzeugung ist für die Gesamtfunktion jedoch nicht wesentlich, andere Varianten sind im Rahmen fachmännischen Handelns ebenfalls möglich. Entscheidend ist, dass bei ausgeschalteter Mitkopplung keine Überwachung der auftretenden Verlustleistung möglich ist. Bei einem Kurzschluss am Lastwiderstand R5L, kann dann jedoch kein Schaden am Transistor T 503 entstehen, wenn die im Zeitintervall freigesetzte Verlustleistung im für den Transistor zulässigen Bereich liegt.
6 zeigt ein Wechselstrom-Relais unter Verwendung eines Bipolar-Transistors mit isolierter Gate-Elektrode, d.h. IGBT, auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Schaltstufe in einer beispielhaften Ausführungsform. Da Transistoren nur in Gleichstromkreisen arbeiten können, bestehen grundsätzlich zwei Lösungswege, um diese zum Schalten von Wechselströmen zu benutzen.
Eine Möglichkeit besteht darin, einen Transistor im Gleichstromkreis einer Gleichrichter-Brückenschaltung entsprechend 7 anzuordnen, wohingegen sich die zu schaltende Last im Wechselstromkreis der Gleichrichteranordnung befindet. Der Schaltplan in 7 zeigt einen Wechselstromkreis 15 und einen Gleichstromkreis 16. Diese sind über eine Gleichrichterschaltung, im hier vorliegenden Fall über eine Graetz-Brücke 17 miteinander verknüpft. Der Wechselstromkreis enthält eine Wechselstromlast 18, der Gleichstromkreis eine Schaltstufe 19 der hier erwähnten Art. Diese ist in einem Steuerkreis 20 angeordnet.
Andererseits kann ein Transistor mit einer stromrichtungsvorgebenden Diode, zum Schalten einer Halbwelle eines Wechselstromes benutzt werden. Um beide Halbwellen schalten zu können, sind bei dieser Variante zwei Transistoren mit je einer Diode notwendig. Ein solcher Fall ist beispielsweise in 8 dargestellt. 8 zeigt einen Wechselstromkreis 15 und je einen Gleichstromkreis 16a und 16b für je eine Halbwelle. Diese sind über eine einfache, aus zwei Dioden bestehende Gleichrichterschaltung 17a miteinander verbunden. Der Wechselstromkreis enthält eine Wechselstromlast 18. Je eine Schaltstufe 19 der hier beschriebenen Art wird hier je Halbwelle benötigt. Die beiden Schaltstufen 19 werden ebenfalls über einen Steuerkreis angesprochen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird ein Graetz-Gleichrichter mit Dioden D 601 bis D 604 verwendet. Im Wechselstromkreis befindet sich die Wechselstromlast AC 6L, eine Sicherung Si 601 und spannungsabhängige Widerstände VDR 601 und VDR 602. Letztere haben die Aufgabe, ggf. auftretende Spannungsspitzen von den spannungsempfindlichen Bauteilen fernzuhalten. Die überwachte Schaltstufe befindet sich zusammen mit weiteren Bauteilen im Gleichstrompfad des Graetz-Gleichrichters.
Mit der Diode D 605 wird direkt aus der Netzspannung über den Vorwiderstand R 601, die Betriebsspannung für die Steuerelektronik gewonnen. Der Kondensator C 601 wirkt als Ladekondensator und dient gleichzeitig der Glättung, eine Z-Diode ZD 601 stabilisiert die Betriebsspannung. Für die Gewinnung dieser Betriebsspannung sind andere Varianten bekannt und möglich.
Der Widerstand R 602 dient als Arbeitswiderstand für das analoge ODER, über das die Gatespannung für den IGBT-Transistor T 603 in Abhängigkeit vom Optokoppler OK 601, Mitkopplungstransistor T 601, und Stromregeltransistor T 602, bereitgestellt wird. Ein IGBT als Schalter und Stellglied hat den Vorteil, dass relativ sehr hohe Betriebsspannungen bei gleichzeitig hohen Strömen mit geringen Steuerleistungen geschaltet werden können. Die Stromquellenschaltung besteht hier aus den Transistoren T 602 und T 603, sowie aus dem Strom-Messglied R 607. Die verzögerte Mitkopplung für die Schaltspannung wird mit dem Teiler R 605, R 606 und dem Mitkopplungstransistor T 601 gebildet. Eine LED im Optokoppler OK 601, wird durch die Diode D 606 gegen Verpolung geschützt, mit dem Vorwiderstand R 603 wird der Diodenstrom festgelegt. Der Widerstand R 604 hat die Aufgabe, den Reststrom des Transistors im Optokoppler abzuleiten.
Im Gleichstromkreis der Graetz-Schaltung treten ohne Glättung periodisch Momentanspannungen mit einem Betrag von 0 Volt auf. Wie bereits festgestellt, wird aber bei einem Nulldurchgang der Betriebsspannung an der überwachten Schaltstufe, der durch die verzögerte Mitkopplung bewirkte Speicher gelöscht.
Für die weitere Beschreibung wird angenommen, dass ein ohmscher Wechselstromverbraucher mit seinem Nennstrom eingeschaltet betrieben wird. Dazu liegt am Steuereingang des potenzialtrennenden Optokopplers eine Steuerspannung U_st an. Der Transistor T 603 wird so angesteuert, dass seine Strecke zwischen dessen Emitter und dessen Kollektor maximal leitend ist. Da der Wechselstromverbraucher mit dem Nennstrom betrieben wird, ist der Spannungsabfall am Messglied R 607 nicht ausreichend, um den Stromregeltransistor T 602 in den leitenden Zustand zu bringen. Beim Nennstrom ist die hier überwachte Schaltspannung ebenfalls gering. Mit dem Mitkopplungsteiler, bestehend aus den Widerständen R 605 und R 606, wird diese geteilt und kann den Mitkopplungstransistor T 601 ebenfalls nicht in den leitenden Zustand versetzen. Der Transistor T 603 bleibt in der gesamten Zeitdauer der Ansteuerung mit dem Optokoppler eingeschaltet. Dies gilt auch für die Nulldurchgänge der Betriebsspannung im Gleichstromkreis. Zu beachten ist unbedingt, dass die Konstantstromquelle für den Nenn-Spitzenstrom ausgelegt sein muss, aber nicht auf den effektiven Nennstrom.
Tritt am Wechselstromverbraucher ein Kurzschluss auf, wird der Einsatzpunkt der Stromquellenschaltung erreicht. Der Spannungsabfall am Widerstand R 607 bewirkt eine Abregelung der Gatespannung am Transistor T 603, durch den Stromregeltransistor T 602. Dadurch steigt die Schaltspannung weiter an, bis der Einsatzpunkt der verzögerten Mitkopplung erreicht wird.
Dabei wird die Teilspannung an der Basis von T 601 so hoch, dass dieser zu leiten beginnt. Infolge dessen wird der Transistor T 603 weiter abgeregelt, bis die Mitkopplung dessen vollständige Sperrung bewirkt. Die Schaltstufe ist temporär abgeschaltet, diese Abschaltung wird bis zum nachfolgenden Nulldurchgang der Schaltspannung gespeichert. Im Nulldurchgang wird der durch die Mitkopplung resultierende Speicher gelöscht, da die Schaltspannung ebenfalls zu Null wird. Damit ist aber keine Mitkopplung mehr vorhanden, die den Speichereffekt auslöst. Liegt der Kurzschluss noch an, dann steigt mit der steigenden Halbwellenspannung, auch der Strom durch das Messglied R 607. Wenn der Grenzstrom erreicht wird, wird der Transistor T 603 abgeregelt, bis die verzögerte Mitkopplung einsetzt, was zur temporären Abschaltung des Transistors T 603 führt, die im nachfolgenden Nulldurchgang wieder aufgehoben wird. Wie sichtbar wird, wird beim Anliegen eines Dauerkurzschluss die überwachte Schaltstufe mit der Netzfrequenz periodisch ein- und ausgeschaltet. Die Ausschaltung erfolgt dabei zu einem Zeitpunkt, bei dem eine Überlastung der Schaltstufe weder durch einen Überstrom, noch durch zu hohe Verlustleistung am Stellglied T 603, eintreten kann.
Mit dem vorliegenden Schaltungsbeispiel ist es auch möglich, Kompensations-Kondensatoren an das Netz zu schalten. In Kompensations-Regeleinrichtungen ist es von Vorteil, wenn der Kompensationskondensator spannungssynchron an das zu kompensierende Netz geschaltet wird. Bei absoluter Synchronität sind keinerlei Sieb- und Dämpfungsmittel erforderlich, da die Anschaltung frei von Impulsströmen erfolgt. Es werden keinerlei Schwingungen angeregt. Durch die in 6 gezeigte Anordnung wird wegen der im Asynchronfall anstehenden Schaltspannung, eine Anschaltung des Kompensationskondensators dann verhindert, wenn der Schaltpunkt der verzögerten Mitkopplung überschritten ist. Ist der Schaltpunkt der Mitkopplung trotz Asynchronität noch nicht erreicht, dann erfolgt eine leicht asynchrone Anschaltung des Kondensators an das Netz.
Es ist also konstruktiv wünschenswert, den Schaltpunkt für die verzögerte Mitkopplung möglichst niedrig zu halten. Durch die Konstantstromquelle, wird der fließende Anschaltstrom im Asynchronfall begrenzt und der Anschaltprozess wird durch die Mitkopplung sofort abgebrochen. Die freigesetzte Energie des Impulses liegt dabei nur unwesentlich höher, als der Spitzenwert des Nenn-Verschiebestromes. Bei dem nachfolgenden Nulldurchgang der Spannung über der überwachten Schaltstufe, erfolgt eine synchrone Zuschaltung an das zu kompensierende Netz.
Die Anschaltung des Kompensationskondensators erfolgt dabei unterbrechungsfrei über die gesamte Dauer der Ansteuerung mit dem Optokoppler. Der Nachteil der Ein- und Ausschwingvorgänge in jedem Nulldurchgang der Wechselspannung, wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Thyristorschaltern, wird von vornherein umgangen. Dadurch sinkt die abgegebene parasitäre Energie, der Wirkungsgrad steigt. Für die Synchronbedingung gilt nicht der Nulldurchgang der Netzspannung, sondern der Nulldurchgang der Summe aus dem Momentanwert der Netzspannung und der auf dem Kondensator ggf. noch befindlichen Restladungs-Spannung. Eine Zuschaltung bei dem Nulldurchgang der Netzspannung ist somit ein Sonderfall, bei dem die Restladung des Kondensators Null beträgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Claims

Vorrichtung für eine überwachte Schaltstufe mit Stromquellenverhalten, umfassend einen Lastkreis (1) mit einer Betriebsspannung und einer Last (2) mit einer über der Last abfallenden Lastspannung (4) und eine Steuerungs- und Regelungsschaltung (3), wobei die Steuer- und Regelungsschaltung ein in den Lastkreis geschaltetes Stellglied (4) mit einer über dem Stellglied abfallenden Schalterspannung (U_Schalter) und ein in den Lastkreis mit dem Stellglied in Reihe geschaltetes Strom-Messglied (5) zum Messen eines im Lastkreis fließenden Ist-Laststromes (I₀) enthält, wobei über der Gesamtheit aus dem Stellglied und dem Strom-Messglied eine Schaltspannung (U_schalt) abfällt, wobei die Steuerungs- und Regelungsschaltung einen mit dem Strom-Messglied gekoppelten Stromregler (6) zur Vorgabe eines Strom-Sollwertes (I_soll) enthält, der eine Strom-Steuergröße (S_I) an das Stellglied ausgibt, und die Steuerungs- und Regelungsschaltung weiterhin eine Bewertungslogik-Schaltung (7) zum Abschalten des Stellgliedes enthält, wobei durch die Bewertungslogik-Schaltung das Stellglied abschaltbar ist, wenn die Schalterspannung (U_Schalter) oder die Schaltspannung (U_schalt) einen gegebenen Grenzwert (U_Limit) übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungslogik-Schaltung (7) einen externen Einschaltzugang (11) aufweist, mit dem ein Einschalten des Stellgliedes (4) ausführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die überwachte Schaltstufe ein bistabiles Relais in einer ersten Ausführungsform bildet, wobei die Bewertungslogik-Schaltung (7) die Schaltspannung (U_schalt) überwacht und über eine Schwellwertverzögerung mit der Schaltspannung mitgekoppelt ist, wobei durch die Mitkopplung ein Abschaltzustand des Stellgliedes (4) bis zum Betätigen des externen Einschaltzugangs (Ta 22) beibehaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile Relais der ersten Ausführungsform einen externen Abschaltzugang (Ta 21) zum Erzwingen des Abschaltzustandes des Stellgliedes aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Einschaltzugang (11) durch eine die Zeitdauer des Schaltvorganges begrenzende externe Impulsschaltung betätigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die überwachte Schaltstufe ein bistabiles Relais in einer zweiten Ausführungsform bildet, wobei die Bewertungslogik-Schaltung (7) die Schalterspannung (U_Schalter) überwacht, wobei die Bewertungslogik-Schaltung als ein Differenzverstärker oder ein Komparator (IC 31) ausgebildet ist, wobei die Schwellwertverzögerung durch eine Schaltschwelle des Differenzverstärkers oder Komparators realisiert ist, wobei durch die Schaltschwelle der Abschaltzustand des Stellgliedes (T 32) bis zum Betätigen eines externen Einschaltzugangs (Ta 32) beibehaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Einschaltzugang (Ta 32) als ein invertierender Eingang am Differenzverstärker oder Komparator (IC 31) ausgebildet ist, wobei durch eine Betätigung des invertierenden Eingangs eine temporäre Abschaltung einer Mitkopplungsspannung ausführbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Einschaltzugang (Ta2) als eine Optokopplerschaltung ausgebildet ist, wobei die Optokopplerschaltung ein Zeitglied zur zeitlichen Begrenzung der Einschalt-Impuls-Dauer aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die überwachte Schaltstufe in einer Wechselstromrelais-Schaltung enthalten ist, bei der ein Wechselstromkreis (15) mit einer Wechselstromlast (18), ein einer Gleichrichterschaltung (17) nachgeordneter Gleichstromkreis (16) vorgesehen sind, wobei in dem Gleichstromkreis mindestens ein Gleichstromrelais (19) zur An- und Abschaltung der Wechselstromlast vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei überwachte Schaltstufen in einer Wechselstromrelais-Schaltung enthalten sind, bei der ein Wechselstromkreis (15) mit einer Wechselstromlast (18), zwei der Gleichrichterschaltung (17a) nachgeordnete Gleichstromkreise (16a, 16b) für jeweils positive und negative Halbwellen und in jedem der Gleichstromkreise mindestens jeweils ein Gleichstromrelais (19) zur An- und Abschaltung der Wechselstromlast vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 6, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die überwachte Schaltstufe (19) mindestens teilweise als eine integrierte Schaltung ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselstromlast (18) ein spannungssynchron an den Wechselstromkreis geschalteter Kompensationskondensator ist.