DE1176249B - Spannungsueberwachungs- und Kurzschliess-vorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H02d

Deutsche Kl.: 21 c - 68/50

Nummer: 1176249

Aktenzeichen: C 24916 VIII b / 21 c

Anmeldetag: 19. August 1961

Auslegetag: 20. August 1964

Die Erfindung betrifft eine Spannungsüberwachungs- und Kurzschließvorrichtung, insbesondere eine elektronische Vorrichtung zum Wahrnehmen und Kurzschließen einer Gleichspannung zur Erde, falls diese Spannung eine vorbestimmte Größe überschreiten sollte.

Bei elektronischen Schaltungen ist es oft wünschenswert, eine Gleichspannung zu überwachen und zu gewährleisten, daß diese Spannung eine vorbestimmte Höhe nie überschreitet. Die Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung stellt ein verbessertes Netzwerk zur Erreichung dieses Zieles dar und ist im besonderen, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in Verbindung mit einer Leitung hoher Impedanz geeignet.

Es sind bereits zahlreiche elektronische Schaltungen zum Überwachen und/oder Regeln von Gleichspannungen bekanntgeworden. Nach diesen bekannten Schaltungen ist es beispielsweise bekannt, zwischen eine Gleichspannungsquelle und einen Verbraucher eine steuerbare Impedanz einzusetzen und den Widerstandswert dieser Impedanz in Übereinstimmung mit der Klemmenspannung am Verbraucher zu regeln. Eine andere bekannte Maßnahme besteht darin, einem Verbraucher eine steuerbare Impedanz parallel zu schalten, so daß an diesem Verbraucher ein zusätzlicher Strom vorbeifließt. Der Wert dieser Impedanz wird dann so geregelt, daß auf Grund des Innenwiderstandes der Gleichspannungsquelle die Klemmenspannung dieser Quelle konstant bleibt. Durch eine Weiterentwicklung dieser Schaltungen mit parallel geschalteter Impedanz sind Schutzschaltungen bekanntgeworden, die beispielsweise zur Überwachung von Schalttransistoren in Starkstromkreisen Verwendung gefunden haben. In diesen Schutzschaltungen wurden den gegen Überspannungen zu schützenden Transistoren nichtlineare Impedanzen, wie beispielsweise in Sperrichtung gepolte Dioden, parallel gelegt, die unterhalb eines bestimmten Spannungsabfalles einen sehr hohen, oberhalb eines gewissen Spannungsabfalles dagegen einen sehr niedrigen Widerstandswert aufweisen. Stieg nun der Spannungsabfall an dem zu schützenden Transistor über einen kritischen Wert an, ging die nichtlineare Impedanz in ihren Zustand von großem Leitwert über, so daß durch den dann fließenden zusätzlichen Strom eine Sicherung oder ein Schutzrelais schnell zum Ansprechen gebracht werden konnte.

Alle bisher beschriebenen Schaltungen haben nun den Nachteil, daß sie zum sicheren Arbeiten eine Spannungsquelle von verhältnismäßig niedrigen Innenwiderstand benötigen. Wenn man die beschrie-Spannungsüberwachungs- und Kurzschließvorrichtung

Anmelder:

Collins Radio Company, Cedar Rapids,

Ia. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K.-A. Brose, Patentanwalt,

Pullach (Isartal), Wiener Str. 2

Als Erfinder benannt:

Clyde W. Baxter, Orlando, Fla.,

Eugene C. Senti, Rapids, Ia. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 3. Januar 1961 (80 144)

benen Schaltungen weiterhin auf bekannte Weise so ausbildet, daß sie Schaltvorgänge auslösen, wenn sie die Grenzen ihres Regelbereiches erreicht haben, so ist es weiterhin schwierig, die Schaltpunkte auf einfache Weise einzustellen und zu verändern. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, den Schalteinsatz mit der genügenden Schärfe durchzuführen, da die beschriebenen Schaltungen im allgemeinen ein gewisses Übergangsgebiet aufweisen.

Die Überwachungseinrichtung nach der Erfindung kann entweder unmittelbar oder mit geringen Abänderungen, die im Bereich des Könnens eines Fachmannes liegen, zum Überwachen irgendeiner Gleichspannung verwendet werden. Eine derartige Verwendung besteht beispielsweise in der Überwachung einer direkten Frequenzsteuerspannung, die an einen Hochfrequenzoszillator gelegt ist, um die Resonanzfrequenz des Oszillators einzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist also eine verbesserte elektronische Überwachungs- und Kurzschließeinrichtung von einfachem und kompakten Aufbau und trotzdem zuverlässiger Funktion. Die Spannungs-Überwachung- und Kurzschließvorrichtung soll transistorisiert sein. Um nun zu gewährleisten, daß die überwachte Spannung niemals eine vorbestimmte Höhe überschreiten kann, sollen unipolare Transistoren (Doppelbasisdioden) verwendet werden.

Insbesondere soll die Überwachungsvorrichtung auch dann in der Lage sein, die überwachte Gleichspannung bei dem Erreichen eines vorgegebenen

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Wertes gegen Erde kurzzuschließen, wenn die Gleichspannung von einer Leitung stammt, die eine sehr hohe Impedanz aufweist.

Eine solche Spannungsüberwachungs- und Kurzschließvorrichtung ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine mit ihren Basiselektroden in einen Hilfsgleichspannungspfad eingeschaltete Doppelbasisdiode aufweist, deren Emitter über einen Eingangstransistor mit der zu überwachenden Eingangsspannung verbunden ist, und deren Basiselektrode über einen ein Zeitkonstantenglied enthaltenden Pfad mit einem weiteren, die Kollektorspannung des Eingangstransistors steuernden Transistor verbunden ist, den der beim Überschreiten des vorbestimmten Wertes der Eingangsspannung durch die plötzlich einsetzende Leitfähigkeit der Doppelbasisdiode an ihrer Basiselektrode auftretende Spannungsimpuls sperrt, so daß ein über die Basis-Kollektor-Strecke des Eingangstransistors verlaufender Belastungspfad während der durch das Zeitkonstantenglied festgelegten Zeitdauer entsteht.

Es ist günstig, wenn die Basis des Eingangstransistors mit der zu überwachenden Eingangsspannung verbunden ist, während sein Emitter an den Emitter der Doppelbasisdiode und sein Kollektor einerseits an den Kollektor des Steuertransistors und andererseits über einen die Belastung bildenden Widerstand an Erde angeschlossen ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn man den Emitter des Eingangstransistors über eine Diode mit dem Emitter der Doppelbasisdiode verbindet.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die eine Basiselektrode der Doppelbasisdiode einerseits über einen Widerstand mit Erde und andererseits über eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Kondensator und einer Diode, mit der Basis des Steuertransistors verbunden ist.

Schließlich ist es noch günstig, wenn das Zeitkonstantenglied einen parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors geschalteten Kondensator und einen zwischen dieser Basis und Erde angeordneten Widerstand enthält.

In der Zeichnung ist ein vollständiges Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das eine funktionsfähige Ausführungsart für eine praktische Anwendung des zugrunde liegenden Prinzips darstellt, wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung der Überwachungs- und Kurzschließvorrichtung gemäß der Erfindung ist.

In der Zeichnung ist mit der Bezugsziffer 5 die Eingangsleitung bezeichnet, an die die zu überwachende Gleichspannung angeschlossen wird. Wie aus dieser Zeichnung zu ersehen ist, kann diese Spannung direkt an die Basis des npn-Transistors 7 angeschaltet werden, der als Emitterfolgestufe geschaltet ist, und dessen Emitter über einen Widerstand 9 mit der Masse verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 7 ist aus noch zu erläuternden Gründen über einen pnp-Transistor 11 und einen Widerstand 13 mit einer Gleichspannungsquelle von vorzugsweise 18 Volt Spannung verbunden. Zusätzlich ist aus ebenfalls noch zu erläuternden Gründen der Kollektor des Transistors 7 über einen Widerstand 15 mit der Masse verbunden. An Stelle eines npn-Transistors 7 ist ein pnp-Transistor zu verwenden, wenn die zu überwachende Spannung negativ ist.

Wie bereits oben erwähnt, ist der Transistor 7 als Emitterfolgestufe geschaltet, und wie aus der Zeichnung hervorgeht, kann eine Diode 17 zwischen dessen Emitter und dem Emitter 19 des Unipolar-Transistors 19 geschaltet sein. Dessen eine Basis kann wiederum über einen Widerstand 21 mit Masse und dessen andere Basis 22 über einen Widerstand 13 mit der Gleichspannungsquelle verbunden sein. Gegebenenfalls kann zwischen der Diode 17 und dem Emitter 18 noch ein Überbrückungskondensator 24 angeschaltet sein.

ίο Wie bekannt, kommt bei einer Doppelbasisdiode (Unipolar-Transistor) eine Stromleitung zwischen den beiden Basiselektroden nur dann zustande, wenn eine Spannung von bestimmter Höhe an den Emitter gelegt wird. In diesem Fall tritt eine plötzliche Leitfähigkeit auf. Gemäß der Zeichnung ist die an dem Widerstand 21 auftretende Spannung (die an der Verbindungsstelle von Basis 20 und Widerstand 21 positiv ist) über einen Kondensator 28 und eine Diode 30 mit der Basis des pnp-Transistors 11 gekuppelt. Zur Beeinflussung der Abschaltzeit de^ Transistors 11 ist ein Zeitkonstantenglied vorgesehen, mit einem Widerstand 32, der zwischen der Basis des Transistors 11 und Masse liegt, und mit einem Kondensator 34, der zwischen der Basis des Transistors 11 und der Verbindungsstelle von Widerstand 13 und Emitter des Transistors 11 liegt.

Die Werte für die Einzelteile der in dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorrichtung sind folgende:

Bezugsziffer	Bauteil	Wert
7	npn-Transistor	2N541
9	Widerstand	470 kOhm
11	pnp-Transistor	2 N1224
13	Widerstand	10 kOhm
15	Widerstand	22 kOhm
17	Diode	IN 198
19	Unipolar-Transistor	2 N 489
21	Widerstand	220 Ohm
24	Kondensator	1,8 uF
26	Widerstand	4700 Ohm
28	Kondensator	40 uF
30	Diode	IN 457
32	Widerstand	100 kOhm
34	Kondensator	4.5 uF

Diese Angaben sollen nicht einschränkend verstanden sein. Sie beziehen sich lediglich auf das spezielle Ausführungsbeispiel.

Wenn im Betrieb eine positive Gleichspannung an die Basis des Transistors 7 gelegt ist, deren Höhe unterhalb der gewünschten Begrenzungsspannung liegt, dann wirkt die Vorrichtung gemäß der Erfindung lediglich als Überwachungseinrichtung, ohne daß eine Kurzschlußwirkung auftritt. Die überwachte Spannung wird über Basis und Emitter des Transistors 7 an dem Emitter 18 der Doppelbasisdiode 19 geleitet, die auf die Spannungshöhe anspricht. Wenn die am Emitter 18 liegende Spannung einen vorbestimmten, gewünschten Wert überschreiten sollte, der durch die Doppelbasisdiode 19 und die entsprechend gewählte dazugehörige Schaltung bestimmt ist, dann tritt zwischen den Basiselektroden der Doppelbasisdiode plötzlich eine Leitfähigkeit ein. Hierdurch entsteht an dem Widerstand 21 ein scharfer Spannungssprung (positiv an der Basis 20), der über die Diode 30 zur Basis des normalerweise leitenden pnp-Tran-

sistors 11 geleitet wird und diesen plötzlich in den nichtleitenden Zustand überführt. Da der Kollektor des Transistors 7 über den Transistor 11 angeschlossen ist, wird beim Abschalten des Transistors 11 die Kollektorspannung des Transistors 7 sinken und zu einer Vorspannung des Transistors 7 führen, so daß die überwachte Spannung unmittelbar über Basis und Kollektor des Transistors 7 und über den Widerstand 15 zur Masse kurzgeschlossen wird. Die Zeitkonstante des Widerstandes 32 und des Kondensators 34 ist so gewählt, daß der Transistor 11 eine bestimmte Zeit lang im nichtleitenden Zustand verbleibt (etwa 0,5 Sekunden in dem gewählten Ausführungsbeispiel). Wenn der Transistor 11 wieder leitend wird, setzt die Überwachung wieder ein und bis zu dem Augenblick, wenn die überwachte Gleichspannung einen vorbestimmten Wert wieder überschreitet, wird die Spannung lediglich gemessen und nicht kurzgeschlossen. Wenn die Spannung natürlich nicht unter den Grenzwert abgesunken ist, bleibt der Transistor im nichtleitenden Zustand.

Aus dem Obenstehenden geht hervor, daß die Spannungsüberwachungs- und Kurzschließvorrichtung gemäß der Erfindung einfach und kompakt im Aufbau ist und dennoch ein zuverlässiges Überwachen und Kurzschließen einer Spannung ermöglicht.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur automatischen Überwachung einer Eingangsgleichspannung, mit einem nichtlinearen Bauelement, das an diese Spannung gelegt ist und beim Überschreiten eines bestimmten Wertes dieser Spannung eine zusätzliche Belastung der Spannungsquelle herbeiführt, gekennzeichnet durch eine mit ihren Basiselektroden (20, 22) in einen Hilfsgleichspannungs-Pfad eingeschaltete Doppelbasisdiode (19), deren Emitter (18) über einen Eingangstransistor (7) mit der zu überwachenden Eingangsspannung verbunden und deren eine Basiselektrode (20) über einen ein Zeitkonstantenglied (32, 34) enthaltenden Pfad mit einem weiteren, die Kollektorspannung des Eingangstransistors (7) steuernden Transistor (11) verbunden ist, den der beim Überschreiten des vorbestimmten Werts der Eingangsspannung durch die plötzlich einsetzende Leitfähigkeit der Doppelbasisdiode an ihrer Basiselektrode (20) auftretende Spannungsimpuls sperrt, so daß ein über die Basis-Kollektor-Strecke des Eingangstransistors (7) verlaufender Belastungspfad während der durch das Zeitkonstantenglied festgelegten Zeitdauer entsteht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Eingangstransistors (7) mit der zu überwachenden Eingangsspannung verbunden ist, während sein Emitter an den Emitter (18) der Doppelbasisdiode (19) und sein Kollektor einerseits an den Kollektor des Steuertransistors (11) und andererseits über einen die Belastung bildenden Widerstand (15) an Erde angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Eingangstransistors (7) über eine Diode (17,) mit dem Emitter (18) der Doppelbasisdiode (19) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Basiselektrode (20) der Doppelbasisdiode (19) einerseits über einen Widerstand (21) mit Erde und andererseits über eine Reihenschaltung bestehend aus einem Kondensator (28) und einer Diode (30) mit der Basis des Steuertransistors (11) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitkonstantenglied einen parallel zur Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors (11) geschalteten Kondensator (34) und einen zwischen dieser Basis und Erde angeordneten Widerstand (32) enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 093 886,
714, 1050 912.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 657/416 8. 64

Bundesdruckerei Berlin