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Die
Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung.
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Derartige
Schutzeinrichtungen werden insbesondere bei elektronischen Schaltern
und Dimmern eingesetzt.
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Dimmer
für Phasenabschnittbetrieb
und Universaldimmer benötigen
zum Dimmen der Last Endstufentransistoren, die üblicherweise als MOS-FETs oder
IGBTs ausgebildet sind. Die Endstufentransistoren können zerstört werden,
wenn sie auch nur kurzzeitig mit Überstrom oder Überlast
beaufschlagt werden. Andererseits treten beim Einschalten der zu dimmenden
Lasten sehr hohe Einschaltströme
auf, die nicht zu einer Fehlerauslösung durch die Kurzschluss-Schutzeinrichtung
oder die Überlast-Schutzeinrichtung
führen
dürfen.
Diese zueinander konträren
Anforderungen erschweren einen sicheren Schutz der Endstufentransistoren.
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Bei
den bekannten Schutzeinrichtungen wird für den Kurzschlussschutz der
Strom im Laststromkreis überwacht. Überschreitet
der Stromwert einen hohen Schwellwert, der über dem maximalen Einschaltstrom
im Normalbetrieb liegt, wird über
die Steuerschaltung der Schutzeinrichtung eine Schnellabschaltung
des Dimmers ausgelöst.
Zum Schutz gegen Überlast,
die nicht von der Kurzschluss-Schutzeinrichtung erfasst wird, aber
eine zu hohe Erwärmung
des Dimmers zur Folge hätte,
wird die Temperatur im Dimmer überwacht.
Bei Überschreitung
einer bestimmten Grenztemperatur wird der Dimmer automatisch abgedimmt
oder ausgeschaltet.
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Die Überwachung
des Laststroms erfolgt durch eine Messung des Spannungsabfalls am
eingeschalteten Endstufentransistor oder durch eine Messung des
Spannungsabfalls an einem im Laststromkreis liegenden Shunt-Widerstand.
Die Kurzschluss-Über wachungsvorrichtung
der Kurzschluss-Schutzeinrichtung ist in beiden Netzhalbwellen aktiv.
Ein Kurzschluss wird an eine Steuerschaltung, die im Wesentlichen
einen Mikrocontroller umfasst, gemeldet. Der Mikrocontroller leitet
eine sofortige Schnellabschaltung der Endstufentransistoren ein.
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Der Überlastschutz
ist bei den bekannten Schutzeinrichtungen mit einem NTC-Widerstand
realisiert, der in der Nähe
eines Endstufentransistors oder eines Kühlkörpers platziert ist. Eine Komparatorschaltung
meldet eine Überschreitung
der Grenztemperatur an die Steuerschaltung, die entweder die Dimmerhelligkeit
reduziert oder den Dimmer abschaltet.
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Nachteilig
ist bei den bekannten Schutzeinrichtungen, dass im Kurzschlussfall
der Kurzschlussstrom während
der bis zum Auslösen
der Kurzschluss-Schutzeinrichtung auftretenden Verzögerungszeit
weiter ansteigt. Dadurch ist auch bei einer nahezu unverzögerten Reaktion
der Steuerschaltung (Mikrocontroller) eine Überlastung des Kurzschluss führenden
Endstufentransistors nicht ausgeschlossen. Außerdem kann durch die Überlast-Schutzeinrichtung
nicht der gesamte Überlastbereich
abgedeckt werden, so dass bei bestimmten Überlastfällen eine zu hohe Erhitzung
des Dimmers auftreten kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Schutzeinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die elektronische Bauteile vor Überlast
und Überstrom
zuverlässig
schützt, ohne
dabei Fehlauslösungen
zu verursachen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schutzeinrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung sind
jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Schutzeinrichtung weist
wenigstens eine Überlast-Schutzeinrichtung auf,
die zumindest eine Überlast-Überwachungsvorrichtung, eine Überlast-Auswertevorrichtung und eine Überlast-Abschaltvorrichtung
umfasst, sowie wenigstens eine Kurzschluss-Schutzeinrichtung, die zumindest
eine Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung,
eine Kurzschluss-Auswertevorrichtung und eine Kurzschluss-Abschaltvorrichtung
umfasst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung
können Überlast-Grenzwert und Überstrom-Grenzwert
unabhängig
voneinander definiert werden. Damit gewährleistet die Schutzeinrichtung gemäß Anspruch
1 einen zuverlässigen
Schutz vor Überlast
und Überstrom.
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Vorzugsweise
liegt der Überlast-Grenzwert über dem
maximalen Laststrom im eingeschwungenen Betrieb (Anspruch 2) und
der Überstrom-Grenzwert über dem
maximalen Einschaltstrom im Normalbetrieb (Anspruch 3).
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierzu
zeigen in schematischer Darstellung:
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1 ein Blockschaltbild einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung;
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2 ein Schaltbild einer weiteren
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung;
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3 den Verlauf des Dimmer-Laststroms und
den Verlauf des Ausgangssignals einer Überlast-Überwachungsvorrichtung.
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Die
in 1 dargestellte Schutzeinrichtung weist
eine Überlast-Schutzeinrichtung 1 sowie
eine Kurzschluss-Schutzeinrichtung 2 auf.
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Die Überlast-Schutzeinrichtung 1 umfasst eine Überlast-Überwachungsvorrichtung 11,
eine Überlast-Auswertevorrichtung 12,
die in Reihe zur Überlast-Überwachungsvorrichtung 11 geschaltet
ist, und eine Überlast-Abschaltvorrichtung 13,
die der Überlast-Auswertevorrichtung 12 nachgeschaltet
ist. Die Kurzschluss-Schutzeinrichtung 2 umfasst eine Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21,
eine Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22, die in Reihe zu der
Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22 geschaltet ist, und
eine Kurzschluss-Abschaltvorrichtung 23, die der Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22 nachgeschaltet
ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
weist die Kurzschluss-Abschaltvorrichtung 23 eine
Endabschaltungsvorrichtung 24 sowie eine Abschaltvorrichtung 25 für die aktuelle
Netzhalbwelle auf. Weiterhin ist zwischen der Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21 und
der Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22 eine Kurzschluss-Strombegrenzungsvorrichtung 26 angeordnet.
Außerdem
ist zwischen der Kurzschluss-Strombegrenzungsvorrichtung 26 und der
Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22 eine Schnellabschaltungsvorrichtung 27 angeordnet.
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In
vorteilhafter Weise sind bei der in der 1 dargestellten Schutzeinrichtung die Überlast-Auswertevorrichtung 12 und
die Überlast-Abschaltvorrichtung 13 sowie
die Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22 und
die Kurzschluss-Abschaltvorrichtung 23 zu einer Steuerschaltung 3 zusammengefasst.
Die Steuerschaltung 3 ist als Software realisiert und in
einem Mikrocontroller implementiert, wobei die Überlast-Auswertevorrichtung 12 und
die Überlast-Abschaltvorrichtung 13 sowie
die Kurzschluss-Auswertevorrichtung 22 und die Kurzschluss-Abschaltvorrichtung 23 als
Softwaremodule ausgeführt
sind.
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Bei
dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
dient die Schutzeinrichtung zur Überwachung
zweier Endstufentransistoren T1 und T2 eines Dimmers. Die Überlast-Überwachungsvorrichtung 11 der Überlast-Schutzeinrichtung 1 und
die Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21 der
Kurzschluss-Schutzeinrichtung 2 sind hierzu jeweils über eine
Sensorleitung SL1 bzw. SL2 mit einem Stromsensor S verbunden, der
in wenigstens einem Außenleiter
L angeordnet ist.
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Bei
der in 1 dargestellten
Schutzeinrichtung wird der Strom im Laststromkreis auf zwei Schwellwerte
hin überwacht.
Die Überlast-Überwachungsvorrichtung 11 überwacht
einen Überlast-Grenzwert,
der über
dem maximalen Laststrom im eingeschwungenen Betrieb liegt. Die Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21 überwacht
einen Überstrom-Grenzwert,
der über
dem maximalen Einschaltstrom im Normalbetrieb liegt.
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Die Überlast-Auswertevorrichtung 12 erfasst in
jeder Netzperiode, ob der Laststrom den Überlast-Grenzwert überschritten
hat. Das Überschreiten oder
Nichtüberschreiten
des Überlast-Grenzwertes wird
aufintegriert. Bei Erreichen einer bestimmten Integrationsschwelle
wird der Dimmer abgeschaltet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Schutzeinrichtung wird von der Überlast-Überwachungsvorrichtung 11 die
Breite B des Laststromes IL (das ist die
Zeit zwischen fallender und steigender Flanke – siehe 3) als Maß für die Höhe der auftretenden Überlast ÜL genutzt.
Dadurch kann die Auslösezeit
der Überlast-Schutzeinrichtung 1 an
die Höhe
der Überlast ÜL angepasst
werden.
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Die
Kurzschluss-Strombegrenzungsvorrichtung 26 wirkt ohne Verzögerung und
verhindert einen weiteren Anstieg des Kurzschlussstromes. Die Phase
der Strombegrenzung mit einer hohen Verlustleistung in dem betroffenen
Endstufentransistor T1 bzw. T2 wird durch eine Abschaltung beendet,
die von der Schnellabschaltungsvorrichtung 27 ausgeführt wird und
die vorzugsweise zeitlich derart begrenzt ist, dass sie nicht über den
Beginn der nächsten
Netzhalbwelle hinaus andauert. Die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in die Steuerschaltung 3 integrierte Abschaltvorrichtung 25 verlängert die
Abschaltung der Endstufentransistoren T1 und T2 bis zum Ende der
aktuellen Netzhalbwelle. Auch eine komplette Abschaltung der Endstufentransistoren
T1 und T2 wäre
möglich,
sollte aber aus Gründen
der Störsicherheit
nach einer einzelnen Über stromdetektion
noch nicht erfolgen. Erst bei wiederholten Überstromdetektionen wird der
Dimmer für
längere
Zeit oder endgültig
abgeschaltet, da in diesem Fall von einem dauerhaften Kurzschluss
ausgegangen wird.
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Bei
dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist im Laststromkreis L als Stromsensor S ein Shunt-Widerstand angeordnet,
dessen Spannungsabfall mit zwei Kleinsignaltransistoren T3 und T4
in beiden Netzhalbwellen überwacht
wird. An einen Lastausgang des Laststromkreises ist ein Dimmer D geschaltet,
der über
einen Neutralleiter N auf Erdpotential geführt ist.
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Der
Grenzwert ist für
den Kurzschlussstrom ISK ergibt sich zu ISK = UBE/RS,mit UBE als
Basis-Emitter-Schwellspannung und RS als
Shunt-Widerstandswert.
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Eine
unverzögert
wirkende Kurzschlussstrombegrenzung auf den Wert ISK ergibt
sich durch die Verbindung der Kollektoranschlüsse der Kleinsignaltransistoren
T3 und T4 mit den Gate-Anschlüssen der
Endstufentransistoren T1 und T2. Die Endstufentransistoren T1 und
T2 werden vom Steuerausgang 3 der Steuerschaltung über einen
Treiber 33 (Operationsverstärker) angesteuert.
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Während der
Phase der Kurzschlussstrom-Begrenzung entsteht an dem betroffenen
Endstufentransistor T1 bzw. T2 eine sehr hohe Verlustleistung. Deshalb
wird unmittelbar anschließend durch
die Kurzschluss-Strombegrenzungsvorrichtung 26 über die
Schnellabschaltungsvorrichtung 27 eine Abschaltung der
Endstufentransistoren T1 und T2 vorgenommen. Die Kurzschluss-Strombegrenzungsvorrichtung 26 ist
bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
durch ein monostabiles Flip-Flop 26 realisiert, das von
einem der Kleinsignaltransistoren T3 bzw. T4 der Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21 getriggert
wird. Das monostabile Flip-Flop 26 schaltet die Endstufen transistoren
T1 und T2 für
eine begrenzte Zeit ab und meldet den Kurzschluss an die Steuerschaltung 3 (Mikrocontroller).
Der Mikrocontroller 3 schaltet die Endstufentransistoren
T1 und T2 für
den Rest der aktuellen Netzhalbwelle ab. In der folgenden Netzhalbwelle
werden die Endstufentransistoren T1 und T2 wieder normal eingeschaltet.
Dies reduziert den Einfluss von Fehlauslösungen der Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21 aufgrund
von externen Störungen.
Erst bei wiederholt auftretenden Kurzschlüssen schaltet der Mikrocontroller 3 endgültig oder
zeitlich begrenzt ab. Da die Steuerschaltung 3 als Software
und die Abschaltvorrichtung 25 für die aktuelle Netzhalbwelle damit
als Softwaremodul realisiert ist, sind die entsprechenden Funktionen
individuell programmierbar (z.B. endgültige Abschaltung oder automatische
Wiedereinschaltung nach einer vorgebbaren Zeitdauer).
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Für den Überlastschutz
reicht die Detektion in einer Netzhalbwelle aus, da die Überlast-Abschaltvorrichtung 13 ohnehin
zeitlich verzögert
abschaltet. Die Überlast-Überwachungsvorrichtung 11 kann
die Überlast
an demselben Shunt-Widerstand S (Stromsensor) erfassen, wie die
Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung 21,
jedoch mit einem niedrigeren Überstrom-Grenzwert.
Der Überstrom-Grenzwert liegt über dem
maximalen Einschaltstrom im Normalbetrieb (eingeschwungener Betrieb).
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Die Überlast-Überwachungsvorrichtung 11 ist
bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
als Komparator realisiert, dessen Vergleichsspannung Vref den
Grenzwert für
die Überlast
ISU bestimmt (ISU =
Vref/RS).
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Das
Ausgangssignal SK des Komparators ist in 3 dargestellt. In einer ersten Variante
der Überlast-Auswerteeinrichtung überwacht
der Mikrocontroller 3, ob innerhalb einer Netzperiode eine Überlastflanke
am Ausgang des Komparators 11 auftritt. Um eine Fehlauslösung der Überlast-Schutzeinrichtung 1,
z.B. durch hohe Einschaltströme,
zu vermeiden, werden die Überlast-Flanken
in aufeinander folgenden Netzperioden bis zu einer festzulegenden Abschaltschwelle
aufintegriert. Dazu kann im Mikrocontroller 3 ein Überlastzähler eingerichtet
werden, in dem in jeder Netzperiode bei einer Überlastdetektion eine erste
Konstante aufaddiert und bei nicht auftretender Überlast eine zweite Konstante
subtrahiert wird. Bei Erreichen eines festzulegenden Zählerstandes
erfolgt eine Abschaltung des Dimmers D.
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In
einer zweiten Variante der Überlast-Auswertevorrichtung 12 wird
die Breite B des Ausgangssignals SK des Komparators 11 (Zeit
zwischen fallender und steigender Flanke – siehe 3) als Maß für die Höhe der Überlast ÜL genutzt. Abhängig von
der Höhe
der Überlast ÜL wird statt
einer Konstanten eine Variable aufaddiert. Dadurch kann die Auslösezeit der Überlast-Schutzeinrichtung 1 an
die Höhe der Überlast ÜL angepasst
werden.
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Die
in 2 gezeigte Schutzeinrichtung weist
einen vierstufigen Überstromschutz
auf. In Stufe 1 wird der Überstrom in beiden Netzhalbwellen
begrenzt. In Stufe 2 erfolgt die Abschaltung der Endstufentransistoren
T1 und T2 für
eine vorgebbare Zeitdauer und die Kurzschlussmeldung an den Mikrocontroller 3.
Stufe 3 ist für
die Abschaltung der Transistoren für den Rest der Netzhalbwelle
verantwortlich. Stufe 4 veranlasst eine endgültige Abschaltung
bei wiederholt auftretenden Kurzschlussmeldungen.
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Wie
aus den in den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen
ersichtlich ist, deckt die Schutzeinrichtung den gesamten Überlastbereich und
den gesamten Überstrombereich
ab. Sie ist kostengünstig
und platzsparend realisierbar. Die Auslösecharakteristik kann hierbei über die
Software des Mikrocontrollers 3 bestimmt werden.
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Die
unverzögert
wirkende Kurzschluss-Strombegrenzungsvorrichtung 26 verhindert bereits
zu Beginn des Kurzschlusses Überströme in den
Endstufentransistoren T1 und T2.
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Die
Schnellabschaltungsvorrichtung 27 der Kurzschluss-Schutzeinrichtung 2 verhindert,
dass eine Überlastung
an den strombegrenzenden Endstufentransistoren T1 und T2 auftritt.
Außerdem
erhält
der Mikrocontroller 3 dadurch genügend Zeit, um eventuell anliegende
andere Aufgaben abzuarbeiten, bevor er die nächste Stufe des Kurzschlussschutzes abarbeitet.
Die zeitliche Begrenzung der von der Schnellabschaltungsvorrichtung 27 ausgeführten Abschaltung
verringert zusammen mit der Abschaltvorrichtung 25 für die aktuelle
Netzhalbwelle den Einfluss von externen Störsignalen. Bei einer Fehlauslösung der
Kurzschluss-Überwachungsvorrichtung werden
in diesem Fall die Endstufentransistoren T1 und T2 nur bis zum Ende
der aktuellen Netzhalbwelle abgeschaltet.