DE1156881B - Schaltung zum Regeln der durch eine Belastung verursachten nicht normalen Strom- undSpannungsschwankungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Regeln der durch eine Belastung verursachten nicht normalen Strom- und Spannungsschwankungen, bei der die Belastung durch eine Signalübertragungseinrichtung und über einen auf den Überstrom ansprechenden Stromkreis mit einer Stromquelle verbunden ist.

Derartige Schaltungen sind an sich bekannt. Es ist ferner bereits bekannt, bei Kurzschlußschutzschaltungen Transistoren zu verwenden, die ihrerseits dadurch geschützt werden, daß die zu verarbeitenden Ströme auf vorherbestimmte Höchstwerte begrenzt sind. Diese bekannten Schaltungen haben vor allem den Nachteil, daß sie keinen Schutz gegen die bei einem Kurzschluß auftretende relativ sehr niedrige Spannung bieten. Eine solche niedrige Spannung führt zu einem übermäßig hohen Spannungsabfall an dem in Reihe geschalteten Leistungstransistor und zu einer übermäßig hohen Leistungsaufnahme, die den Transistor stark beschädigt.

Bei einer bekannten Schutzschaltung gegen Überlastung von Stromrichteranlagen mit Halbleiterventilanordnungen wird eine dem Laststrom proportionale Spannung mit der Spannung einer Zenerdiode verglichen. Die Zenerspannung dieser Diode entspricht dem oberen Grenzstrom-Sollwert, bei welchem die Schutzeinrichtung ansprechen soll. Ein zweiter Stromkreis, der bei dieser bekannten Schutzeinrichtung über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors verläuft, liefert eine Spannung für die Speisung eines elektrischen Zeitkreises, der seinerseits nach einem zeitlich vorbestimmten Ablauf die Schutzeinrichtung der Anlage steuert.

Bei einer anderen bereits bekannten Vorrichtung zur Vermeidung von schädlichen Überströmen wird in dem zu schützenden Stromkreis ein vom Strom gesteuerter Halbleiterwiderstand, vorzugsweise ein Transistor, benutzt, der bei Überschreitung des Nennstromes den Stromkreis sperrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannten Einrichtungen dadurch zu verbessern, daß nicht nur ein Überstrom auf einen Wert unterhalb eines vorherbestimmten Höchstwertes begrenzt wird, sondern auch ein Schutz gegen schädliche Unterspannungen vorgesehen wird. Es gehört ferner zur Zielsetzung der Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, die außerordentlich rasch in Tätigkeit tritt, weil dies zum Schutz der Signalübertragungstransistoren in hohem Maße erwünscht ist.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der normalerweise offene, auf den Überstrom ansprechende Stromkreis zu der Übertragungseinrichtung parallel und zwischen die Strom-Schaltung zum Regeln der durch eine

Belastung verursachten nicht normalen

Strom- und Spannungsschwankungen

Anmelder:

North American Aviation, Inc.,
Downey, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,
Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 29. Mai 1959 (Nr. 816 849)

Frank Louis Wiley, Long Beach, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

quelle und die Belastung geschaltet ist, auf den die Belastung durchfließenden Strom anspricht und stromleitend wird, wenn der Strom einen vorherbestimmten Höchstwert erreicht, und daß ein normalerweise offener Stromkreis vorgesehen ist, der auf die an der Belastung liegende Spannung anspricht und bewirkt, daß der auf den Überstrom ansprechende Stromkreis leitend wird, wenn diese Spannung unter einen vorherbestimmten Wert absinkt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß der auf den Überstrom ansprechende Kreis ein elektronisches Bauelement mit einer Steuerelektrode und mit zwei zu der Übertragungseinrichtung parallel geschalteten Ausgangselektroden enthält sowie ein auf den durch die Belastung fließenden Strom ansprechendes Stromkreiselement, das an die Steuerelektrode angeschlossen ist, und den durch die Ausgangselektroden fließenden Strom im Verhältnis zu dem durch die Belastung fließenden Strom ändert.

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken liegt in dem auf die Spannung ansprechenden Kreis ein Gleichrichter, der in der Vorwärtsrichtung zwischen

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die Steuerelektrode und die Energiequelle geschaltet dessen Emitterelektrode mit der Minusklemme 24 ist, auf die an der Belastung liegende Spannung an- und dessen Kollektorelektrode zusammen mit der spricht und stromleitend wird, wenn die Spannung Basiselektrode des Transistors 1 über den Widerunter einen vorherbestimmten Wert absinkt. Die auf stand 6 mit der Minusklemme 22 verbunden ist. Die den Strom bzw. die Spannung ansprechenden Kreise 5 Basiselektrode des Transistors 2 steht über das. enthalten entsprechend geschaltete Transistoren. Spannungsbezugsmittel 5 mit der Emitterelektrode Weitere Vorteile und Zwecke der Erfindung wer- des Transistors 1 in Verbindung. Das Spannungsden aus der nun folgenden Beschreibung hervor- bezugsmittel 5 kann beispielsweise aus einer Siliziumgehen, in der auf die Zeichnung Bezug genommen diodenstrecke bestehen, deren Kathode mit der werden wird, in der ein Schema der Schaltung nach io Emitterelektrode des Transistors 1 und deren Anode der Erfindung beispielsweise wiedergegeben ist. zusammen mit der Basis des Transistors 2 und dem Die Figur zeigt einen mit Transistoren bestückten Punkt 30 über den Widerstand 14 mit der Plus-Energiespeisekreis mit den Eingangsanschlüssen 22 klemme 23 verbunden ist. Die Diode 5 weist einen und 23, der den Ausgangsanschlüssen 24 und 25 ge- eng begrenzten Vorwärtsspannungsabfall von der regelten Strom zuführt, an die eine Belastung 21 an- 15 Anode aus zur Kathode auf, wobei der Basis des geschlossen ist. An die Eingangsklemmen 22 und 23 Transistors 2 eine Vorspannung zugeführt wird, die ist eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine höher ist als die an der Emitterelektrode des Transi-Batterie 11 angeschlossen, wobei die Klemme 22 mit stors 2 liegende Spannung und normalerweise den dem Minuspol und die Klemme 23 mit dem Pluspol Stromfluß durch den Emitter-Kollektor-Kreis des der Batterie verbunden ist. Zwischen der Stromquelle 20 Transistors 2 sperrt. Im normalen Betrieb ist daher 11 und der Belastung 21 liegt eine Signalübertra- die Spannung F₁ am Widerstand 4 niedriger als die gungseinrichtung 1, die nach der Figur aus einem Spannung F₂ an der Diode 5, wodurch der Transi-PNP-Transistor 1 besteht, dessen Kollektorelektrode stör 2 im normalen Betrieb gesperrt gehalten wird, mit der Eingangsklemme 22 und dessen Emitterelek- Solange der durch die Belastung 21 fließende Strom trode über einen Strombegrenzungswiderstand 4 mit 25 schwächer ist als der höchstzulässige Strom, solange der Ausgangsklemme 24 verbunden ist, die an der wird der Transistor 2 gesperrt gehalten und die Minusseite der Belastung liegt. Um eine Regelung der Spannung normal geregelt. Wächst der Belastungs-Normalspannung zu schaffen, ist ein Kreis vor- strom, der von dem Widerstand 4 ermittelt wird, über gesehen, der den Basisstrom des Transistors 1 steuert, den hochstzulässigen Wert hinaus an, so wird F₁ um an der Belastung 21 eine konstante Spannung 30 größer als F₂ und der Transistor T₂ stromdurchaufrechtzuerhalten. Dieser Kreis umfaßt den NPN- lässig. Der Strompfad vom Kollektor des Transistors 2 Transistor 3, dessen Emitterelektrode zusammen mit aus durch den Widerstand 6 zur Klemme 22 zieht der Basiselektrode des Transistors 1 und über den einen Teil des Basisstromes aus dem Transistor 1 ab Widerstand 6 mit der Minusklemme 22 verbunden ist, und sucht den durch die Belastung 21 fließenden während dessen Kollektorelektrode mit der Minus- 35 Strom zu schwächen.

klemme 24 und dessen Basiselektrode über das Span- Der Unterspannungsschutz für den Energiespeisenungsbezugsmittel 7 mit der positiven Klemme 23 kreis besteht aus einem auf die Spannung anverbunden ist. Das Spannungsbezugsmittel 7 kann sprechenden Kreis mit den Dioden 8, 9 und 10, die beispielsweise aus einer Zenerdiode bestehen. Die in Reihe geschaltet sind und einen Stromfluß zwischen an der Belastung liegende Spannung wird infolge des 40 dem Punkt 30 an der Basiselektrode des Transiniedrigen Ausgangswiderstandes der Transistoren 1 stors 2 und der Minusklemme 22 ermöglichen, wenn und 3 konstant gehalten, die als Emitterfolgestufen die am Punkt 30 liegende Spannung über einen vorwirken. Ändert sich die Spannung an der Belastung herbestimmten Vorwärtsspannungsabfall an den 21, so verändert sich der Strom im Transistor 3, wo- Dioden 8, 9 und 10 hinaus ansteigt. Die Kathode der bei der Emitterstrom entsprechend der Differenz 45 Diode 10 ist zusammen mit der Basiselektrode des zwischen der Spannung an der Belastung und der Be- Transistors 3 über die Widerstände 14' und 12 mit zugsspannung stärker oder schwächer wird. Der der Minusklemme 22 verbunden. Die Dioden 8, 9 Emitterstrom des Transistors 3 steuert seinerseits den und 10 können durch eine einzelne Zenerdiode er-Basisstrom des Transistors 1 in direktem Verhältnis setzt werden mit einem Spannungsabfall in der umder Abweichung der Spannung an der Belastung von 50 gekehrten Richtung zwischen dem Punkt 30 und der der Bezugsspannung. Basis 3, der gleich dem gewünschten Unterspannungs-Die in der Figur dargestellte und beschriebene, an schutzwert ist. Während des normalen Arbeitens des sich bekannte Schaltung bewirkt eine Spannungs- Spannungsregelkreises fließt kein Strom zwischen dem regelung zwischen der Stromquelle 11 und der Be- Punkt 30 und der Basiselektrode des Transistors 3, da lastung 21 für den normalen Betrieb und sucht an 55 die an der Basiselektrode des Transistors 3 liegende der Belastung 21 eine konstante Spannung aufrecht- Bezugsspannung nicht genügend weit unter der Spanzuerhalten. Während die beschriebene Schaltung bei nung am Punkt 30 liegt, um die Dioden 8, 9 und 10 normalen Spannungsschwankungen wirksam ist, kann stromleitend zu machen. F₃ ist im wesentlichen gleich jedoch eine rasche Veränderung der Spannung und Null. Die Dioden 8, 9 und 10 können beispielsweise des Stromes an der Belastung 21 infolge beispiels- 60 aus Silizium bestehen, die eine Leitfähigkeit von weise eines Kurzschlusses vom Regelkreis nicht völlig nahezu Null aufweisen, bis eine vorherbestimmte oder rasch genug kompensiert werden, um den Tran- Schwellwertspannung angelegt wird. Beim Auftreten sistor 1 und die anderen Schaltungselemente der Ein- eines Kurzschlusses an der Belastung 21 wird die richtung voll zu schützen. Um einen Kurzschluß- Spannung zwischen dem Punkt 30 und der Klemme schutz zu schaffen, ist ein auf Starkstrom an- 65 25 genügend niedrig, mit der Wirkung, daß die sprechender Kreis und ein auf eine niedrige Spannung Dioden 8, 9 und 10 leiten. Dabei verstärkt sich der ansprechender Kreis vorgesehen. Der auf den Strom durch die Basis fließende Strom des Transistors 2, ansprechende Kreis umfaßt einen PNP-Transistor 2, wodurch der durch die Basis des Transistors 1

fließende Strom geschwächt und der Transistor 1 fast sofort gesperrt wird.

Für die Erklärung der Wirkung des Überlastungsstrom- und Unterspannungsschutzkreises sei angenommen, daß bei der Belastung 21 gerade eine Überlastung eingetreten ist. Der Spanungsabfall F₁ am Widerstand 4 steigt bis zu einem Wert an, der genügend größer ist als der Wert der Spannung F₂, so daß der Transistor 2 leitet. Die Emitter-Basis-Spannung des Transistors 1 vermindert sich, wobei der durch den Emitter-Kollektor-Kreis des Transistors 1 fließende Strom geschwächt wird. Da der Widerstand an der Belastung 21 weiterhin absinkt, steuert der Transistor 2 den Strom in der Basis 1 und erhält einen konstanten Strom an der Belastung aufrecht. Zugleich sinkt die Spannung an der Belastung 21 etwas ab infolge der Wirkung eines durch den absinkenden Belastungswiderstand 14' fließenden konstanten Stromes. Die an der Kollektor- und Emitterelektrode des Transistors 3 liegenden Spannungen sinken dementsprechend in bezug auf die Bezugsspannung an der Basis ab. Der im Emitter des Transistors 3 fließende Strom wird schwächer, wobei der zu werden sucht. Vermindert sich der Belastungsin der Basis des Transistors 1 fließende Strom stärker widerstand, so vermindert sich der Emittstrom des Transistors 3 auf den Wert Null, so daß der Transistor vollständig gesperrt ist. An diesem Punkt versucht die Spannungsregelschaltung als konstante Stromquelle zu wirken und hält den durch die Belastung 21 fließenden Strom auf dem höchstzulässigen Wert, um zugleich die Spannung auf dem vorherbestimmten Wert zu halten. Diese Wirkung ist jedoch unstabil, da die Basis des Transistors 1 von dem auf den Strom ansprechenden Kreis des Transistors 2 gesteuert wird, und die Spannungsregelung des Transistors 3 die Spannung an der Belastung 21 nicht konstant halten kann, da sie unwirksam ist. Der Transistor 1 ist immer noch stromleitend, während der Transistor 2 den Kreis regelt und an der Belastung 21 einen konstanten Strom aufrechterhält. Vermindert sich der Belastungswiderstand weiter, so sinkt die an der Belastung liegende Spannung weiter ab. Bei dem Absinken der Spannung nähert sich die an der Minusklemme 24 liegende Spannung der an der Eingangsklemme 23 liegenden Spannung infolge steigender Leitfähigkeit des Transistors 2. Dementsprechend steigt die am Punkt 30 liegende Spannung an und bewirkt ein Ansteigen der Spannung F₃, während die Spannung an der Basis des Transistors 3 konstant bleibt, da sie von dem Bezugsmittel 7 bestimmt wird. Gleicht die Spannung F₃ der von den Dioden 8, 9 und 10 bestimmten Vorwärts-Schwellspannung (beispielsweise 0,6 Volt pro Diode bei Siliziumdioden), so beginnt der Unterspannungsschutzkreis zu arbeiten und schließt einen Stromkreis, der den Punkt 30 des Basiskreises des Transistors 2, die Dioden 8, 9 und 10, die Widerstände 14' und 12 und die Minusklemme 22 umfaßt. Sinkt die Spannung an der Belastung 21 weiter ab und wird der Strom noch stärker, so bewirkt der Unterspannungsschutzkreis, daß in der Basiselektrode des Transistors 2 ein stärkerer Strom fließt. Eine hieraus herrührende Rückkopplungswirkung bewirkt, daß der Transistor 2 vollständig gesättigt wird und die Speisung des Transistors 1 in einer sehr kurzen Zeit sperrt, wodurch die Stromquelle 11 von der Belastung getrennt wird. Das außerordentlich rasche Arbeiten des auf den Strom ansprechenden Kreises zusammen mit dem auf die Spannung ansprechenden Kreis bewirkt eine Sperrung des Transistors 1, bevor an der Belastung 21 tatsächlich ein direkter Kurzschluß erfolgt. Durch dieses rasche Arbeiten wird eine übermäßig starke Beschädigung des Leistungstransistors 1 und eines der anderen Elemente des Stromspeisekreises verhindert.

Wie bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bestehen die Transistoren 1 und 2 aus dem P-N-P-Typ und der Transistor 3 aus dem N-P-N-Typ. Es versteht sich jedoch, daß in der Einrichtung auch andere Kombinationen von P-N-P- und N-P-N-Transistoren verwendet werden können. Ebenso können die Dioden 8, 9 und 10 durch eine Zenerdiode ersetzt werden.

Die offenbarte Ausführungsform zeigt einen Überstrom- und einen Unterspannungsschutzkreis bei einer spannungsgeregelten Energiequelle. Wie leicht einzusehen ist, können die Schutzprinzipien auch für andere Zwecke angewendet werden. Empfindliche elektrische Instrumente können ohne Beeinträchtigung ihrer Genauigkeit durch den Einbau der Überstrom- und Unterspannungsschutzkreise in der gleichen Weise vollständig geschützt werden, wie bei der in der Zeichnung dargestellten Energiequelle beschrieben.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltung zum Regeln der durch eine Belastung verursachten nicht normalen Strom- und Spannungsschwankungen, bei der die Belastung durch eine Signalübertragungseinrichtung und über einen auf den Überstrom ansprechenden Stromkreis mit einer Stromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der normalerweise offene, auf den Überstrom ansprechende Stromkreis (2) zu der Übertragungseinrichtung (1) parallel und zwischen die Stromquelle (11) und die Belastung (21) geschaltet ist, auf den die Belastung durchfließenden Strom anspricht und stromleitend wird, wenn der Strom einen vorherbestimmten Höchstwert erreicht, und daß ein normalerweise offener Stromkreis (8, 9, 10) vorgesehen ist, der auf die an der Belastung liegende Spannung anspricht und bewirkt, daß der auf den Überstrom ansprechende Stromkreis (2) leitend wird, wenn diese Spannung unter einen vorherbestimmten Wert absinkt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Überstrom ansprechende Kreis (2) ein elektronisches Bauelement mit einer Steuerelektrode und mit zwei zu der Übertragungseinrichtung (1) parallel geschalteten Ausgangselektroden hält sowie ein auf den durch die Belastung fließenden Strom ansprechendes Stromkreiselement (4), das an die Steuerelektrode angeschlossen ist und den durch die Ausgangselektroden fließenden Strom im Verhältnis zu dem durch die Belastung fließenden Strom ändert.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem auf die Spannung ansprechenden Kreis (8, 9, 10) ein Gleichrichter liegt, der in der Vorwärtsrichtung zwischen die Steuerelektrode und die Energiequelle (11) geschaltet ist, auf die an der Belastung liegende Spannung anspricht und stromleitend wird, wenn

die Spannung unter einen vorherbestimmten Wert absinkt.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Strom bzw. die Spannung ansprechenden Kreise Transistören enthalten.

5. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Signalübertragungseinrichtung (1) mit zwei Ausgangselektroden, welche die eine Klemme (22) der Energiequelle (11) mit der einen Klemme (24) der Belastung (21) verbinden und mit einer Steuerelektrode sowie mit einer zweiten Signalübertragungseinrichtung (2), deren beide Ausgangselektroden parallel zu den Ausgangselektroden der ersten Übertragungseinrichrung und an eine der Klemmen angeschlossen ist, sowie mit einer Steuerelektrode und einem Widerstand (4) zur Feststellung des die Belastung durchfließenden Stromes und durch einen ersten Strompfad, der die eine Ausgangselektrode der zweiten Übertragungseinrichtung und die Steuerelektrode der ersten Übertragungseinrichtung gemeinsam mit der einen Klemme (22) der Quelle verbindet, wobei der im ersten Strompfad fließende Strom auf das den Strom feststellende Mittel anspricht und der in der Steuerelektrode der ersten Übertragungseinrichtung fließende Strom dem im ersten Strompfad fließenden Strom proportional ist, und ferner durch einen zweiten, die Steuerelektrode der zweiten Übertragungseinrichtung mit der einen Klemme der Quelle verbindenden Strompfad sowie durch besondere Hilfsmittel (8 bis 10) zum Ermitteln der an der Belastung liegenden Spannung, wobei der im zweiten Strompfad fließende Strom auf die die Spannung ermittelnden Hilfsmittel anspricht und der im ersten Strompfad fließende Strom dem im zweiten Strompfad fließenden Strom proportional ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Strom feststellende Mittel aus einem Widerstand (4) besteht, der mit seinem einen Ende an der einen Klemme der Belastung hegt und in einem parallel zu diesem Widerstand liegenden Stromzweig eine Diode (5) liegt, deren Kathode zusammen mit dem anderen Ende des Widerstandes mit einer der Ausgangselektroden der ersten Signalübertragungsvorrichtung (1) und deren Anode mit der Steuerelektrode der zweiten Signalübertragungseinrichtung (2) verbunden ist.

7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die Spannung ermittelnden Hilfsmittel (8 bis 10) eine in einer Richtung stromleitende Vorrichtung mit einer Eingangsund einer Ausgangselektrode enthalten, die in den zweiten Strompfad eingeschaltet ist, wobei die Eingangselektrode auf die an der Steuerelektrode der zweiten Signalübertragungseinrichtung (2) liegende Spannung anspricht, während eine Zenerdiode (7) an die Ausgangselektrode angeschlossen ist.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Signalübertragungseinrichtung aus Transistoren besteht.

9. Schaltung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Zenerdiode (7) ein dritter Transistor mit zwei Ausgangselektroden und einer Steuerelektrode tritt und die Steuerelektrode des ersten Transistors (1) mit einer Ausgangselektrode des dritten Transistors verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 069 760,
877.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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