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Schutzschaltung gegen Stromüberlastung eines in Reihe mit einem Verbraucherstromkreis
liegenden Leistungstransistors Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung gegen
Stromüberlastung eines in Reihe mit einem Verbraucherstromkreis liegenden Leistungstransistors,
der durch einen Transistorverstärker von einer Gleichspannungsimpulsfolge gesteuert
ist.
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Eine zuverlässig arbeitende Schutzschaltung der obigen Art ist erfindungsgemäß
gekennzeichnet durch eine gleichspannungsgesteuerte, bistabile, die Basisvorspannung
der Eingangsstufe des Transistorverstärkers in Abhängigkeit von der Stromstärke
im Verbraucherstromkreis derart beeinflussenden Transistorkippschaltung, daß der
Transistorverstärker bei Stromüberlastung des Leistungstransistors blockiert wird,
wobei der Kollektor der einen Transistorstufe der Kippschaltung mit der Basis der
Eingangsstufe des Transistorverstärkers zum Festlegen der Basisvorspannung der Eingangsstufe
verbunden ist und der Basis der anderen Transistorstufe der Kippschaltung eine der
Stromstärke im Verbraucherstromkreis proportionale Spannung zugeführt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit Vorteil z. B. in einer Einrichtung
zur Erzeugung einer Gleichspannungsimpulsfolge für elektromagnetisch betätigbare
Ventile in einer Melkmaschine angewandt werden, die sich in der Vakuumleitung der
Melkmaschine befinden und die Pulsationskammer der Melkbecher wechselweise mit der
Vakuumleitung und mit der Außenluft verbinden, wobei die Impulserzeugungseinrichtung
eine frei schwingende Multivibratorschaltung sein kann, deren Ausgangsimpulse über
einen Transistorverstärker den erwähnten Leistungstransistor steuern.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise
dargestellt, bei der alle Transistoren zum pnp-Typ gehören, was jedoch nicht erforderlich
ist. Es könnten auch npn-Transistoren verwendet werden.
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Bei der dargestellten Schaltanordnung sind alle Widerstände und Kondensatoren
fest, da die dargestellte Ausführungsform der Erfindung zur Verwendung in einer
maschinellen Melkanlage bestimmt ist, bei der eine Veränderung der durch den Hersteller
eingestellten Pulsationsfrequenz, die für eine bestimmte Melkart geeignet ist, verhindert
werden soll.
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In der Zeichnung sind die Transistoren mit T, die Widerstände mit
R, die Kondensatoren mit C und die Dioden mit D, gefolgt von einer Zahl, bezeichnet.
Da eine nähere Beschreibung, wie die verschiedenen elektrischen Elemente zusammengeschaltet
sind, kein besseres Verständnis der dargestellten Ausführungsform als die gezeigte
Schaltanordnung ergibt, wird nachfolgend nur die Arbeitsweise der Schaltanordnung
mit Einzelheiten beschrieben.
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Ein Gleichstrom aus einem Gleichrichter oder einem Gleichstromgenerator
wird dem Eingang a, b
der Schaltanordnung zugeführt, wobei die Spannung an
den Eingangsklemmen zweckmäßig Null und - 6 bis - 15 Volt beträgt. Der Strom fließt
dann von der Klemme a über die Diode D 2 zu den Emittern der Transistoren
T 1 und T 2 in der Multivibratorschaltung der Schaltanordnung.
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Die angeschlossene Gleichspannung wird von der aus den Transistoren
T 1 und T 2 und den zugehörigen Kreisgliedern C1, C2 sowie R1 bis
R6 bestehenden, an sich bekannten, frei schwingenden Multivibratorschaltung in eine
am Ausgang der Multivibratorschaltung, d. h. am Kollektor des Transistors T2, auftretende
pulsierende Gleichspannung umgewandelt.
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Diese pulsierende Gleichspannung wird einer aus den beiden Transistoren
T 3 und T 4 bestehenden Transistorverstärkerschaltung zugeführt, deren
pulsierende Ausgangsspannung am Emitter des Transistors T 4 den Leistungstransistor
T 5 steuert. Der Leistungstransistor T5 liegt in Reihe mit dem zwischen den
Klemmen f, g anzuschließenden Verbraucherstromkreis. Der Kollektor des Leistungstransistors
T 5 ist mit der negativen Klemme b der Speisequelle durch eine Diode
D 1 verbunden, die den Strom in der Leistungsrichtung des Transistors T 5 hindurchtreten
läßt, aber eine Spannungsbelastung des Transistors entgegen einer Leitungsrichtung
verhindert. Diese Verstärkerschaltung arbeitet wie folgt:
Bei der
positiven Halbwelle der von der Multivibratorschaltung erzeugten pulsierenden Gleichspannung
wird die Basis des Eingangstransistors T3 der Verstärkerschaltung so weit positiv
gesteuert, daß der Transistor T3 gesperrt wird. Hierdurch wird die Basis des Transistors
T4 negativ und der Transistor T4 also leitend, wodurch auch die Basis des Leistungstransistors
T5 negativ wird und der Leistungstransistor T 5 auch leitend. Der Leistungstransistor
T5 leitet also einen Strom durch den Verbraucherstromkreis zwischen den Klemmen
f und g während der positiven Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung von der
Multivibratorschaltung. Bei der negativen Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung
dagegen wird die Basis des Eingangstransistors T3 der Verstärkerschaltung so weit
negativ gesteuert, daß der Transistor T3 leitend wird. Hierdurch wird der Transistor
T4 und damit auch der Leistungstransistor T5 gesperrt, so daß der Strom durch den
Verbraucherstromkreis während der negativen Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung
unterbrochen wird.
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Zum Schutz der Verstärkerschaltung und insbesondere des Leistungstransistors
T5 gegen Kurzschlüsse und Stromüberlastungen ist der Emitter des Transistors T3
mit einer besonderen Schutzschaltung verbunden, welche die Transistoren
T 6 und T 7 umfaßt.
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Die beiden Transistorstufen T6 und T7 bilden zusammen eine gleichspannungsgesteuerte
Transistorkippschaltung, die zwei mögliche Stellungen einnehmen kann. In der einen
Stellung der Kippschaltung ist der Transistor T 6 leitend und der Transistor
T 7
gesperrt. In der anderen Stellung der Kippschaltung ist umgekehrt der
Transistor T7 leitend und der Transistor T6 gesperrt. Die Kippschaltung ist von
einer durch den Widerstand R 14 der Basis des Transistors T6 zugeführten Spannung
gesteuert. Der Kollektor des anderen Transistors T7 der Kippschaltung ist durch
den Widerstand R 11 mit der Basis der Eingangsstufe T 3 des Transistorverstärkers
T3, T 4 verbunden und die Kippschaltung bestimmt dadurch die Basisvorspannung
der Eingangsstufe T3 das Transistorverstärkers.
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Im normalen Betrieb, wenn kein Strom oder nur ein normaler zulässiger
Strom durch den Verbraucher zwischen g und f und dabei durch den Leistungstransistor
T5 fließt, ist die Spannung über dem Widerstand R 19, die durch den Widerstand R
14 der Basis des Transistors T6 zugeführt worden ist, so klein, daß der Transistor
T6 gesperrt wird. Die Spannung an dem Kollektor des Transistors T6 und damit an
der Basis des Transistors T7 ist deshalb in diesem Zustand negativ, so daß der Transistor
T7 voll leitend ist. Folglich ist die Kollektorspannung des Transistors
T7 sehr klein, und diese Spannung wirkt durch den Widerstand R17 auf die
Basis des Transistors T 6 zurück, so daß der Transistor T 6 mit Sicherheit
gesperrt und die Kippschaltung in der entsprechenden Stellung gehalten wird. Die
niedrige Kollektorspannung des Transistors T7 wird auch durch den Widerstand R
11 der Basis des Transistors T3 als eine Basisvorspannung zugeführt, wodurch
der Transistor T3 von der Gleichspannungsimpulsfolge von der frei schwingenden Multivibratorschaltung
T1, T2 zwischen dem leitenden und dem gesperrten Zustand geschaltet werden kann.
Hierdurch wird der Leistungstransistor T5 mit der Impulsfolgefrequenz der Multivibratorschaltung
T1, T2 abwechselnd geöffnet und gesperrt. Wenn indessen ein Kurzschluß oder eine
Stromüberlastung im Verbraucherstromkreis und damit durch den Leistungstransistor
T5 entsteht, wird die Spannung über dem Widerstand R19 so groß, daß die Basispannung
des Transistors T6 ausreichend negativ wird, um den Transistor T6 leitend zu machen.
Dabei fällt die Kollektorspannung des Transistors T6 und damit die Basisspannung
des Transistors T 7 ab, so daß der Transistor T 7 gesperrt wird, was
zur Folge hat, daß die Kollektorspannung des Transistors T7 negativ wird
und durch den Widerstand R17 die Basisspannung des Transistors T6 noch weiter in
Durchlaßrichtung beeinflußt. Die große negative Kollektorspannung des jetzt gesperrten
Transistors T7 ändert auch die Basisvorspannung des Transistors T3 in einem solchen
Ausmaß, daß der Transistor T3 ununterbrochen leitend gehalten wird, unabhängig von
der Gleichspannungsimpulsfolge von der Multivibratorschaltung T1, T2. Dies hat zur
Folge, daß der Leistungstransistor T5 von der Impulsfolge der Multivibratorschaltung
nicht geöffnet werden kann und deshalb gegen Stromüberlastung geschützt wird.
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Es kann daher auch gesagt werden, daß der Leistungstransistor T 5
in der gleichen Weise arbeitet wie ein Schalter, der die Stromzufuhr zur Speiseleitung
f, g steuert, wobei der Schalttakt durch die Pulsationsfrequenz der Multivibratorschaltung
bestimmt wird.
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Der Kondensator C5 bildet zusammen mit dem Widerstand R
14 ein integrierendes oder verzögerndes RC-Glied, so daß die Basisspannung
des Transistors T6 sich nicht sprunghaft in Übereinstimmung mit der Spannung über
dem Widerstand R 19 im Verbraucherstromkreis ändern kann. Dies bedeutet, daß die
Schutzschaltung T6, T7 nicht unmittelbar bei einem Kurzschluß oder einer Stromüberlastung
im Verbraucherstromkreis wirksam wird, sondern nur mit einer von der Zeitkonstante
des RC-Gliedes R 14, C 5 bestimmten Verzögerung. Es wird in dieser Weise
vermieden, daß kurz dauernde Kurzschlüsse oder Stromüberlastungen im Verbraucherstromkreis,
die für den Leistungstransistor T5 ungefährlich sind, den Betrieb der Vorrichtung
stören können. In entsprechender Weise wird die Vorrichtung nach dem Wegfall des
Kurzschlusses oder Überlastungsstromes im Verbraucherstromkreis erst mit einer bestimmten
Verzögerung wieder in Betrieb gesetzt.
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Die Stromquelle a, b kann eine Spannung von 6 bis 15 Volt haben,
wobei die Spannung Null an dei Klemme a liegt, während an der Klemme
b eine Spannung von - 6 bis - 15 Volt liegt.
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Die Elemente der vorangehend beschriebenen Schaltanordnung können
beispielsweise die folgenden Werte haben:
| Transistor T l, T2, T3, T 7 ... Type 0C
72 |
| Transistor T 3 . . . . . . . . . . . . . . . Type 0C 84 |
| Transistor T4 . . . . . . . . . . . . . . . Type 0C 26 |
| Transistor T 5 . . . . . . . . . . . . . . . Type 2 N 441 |
| Diode D 1 ................... Type 0A 31 |
| Diode D 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Type 0A 9 |
| Widerstand R 1, R 6, R 12,R 15, |
| R16 ...................... 1 Kiloohm |
| Widerstand R 2, R 5 . . . . . . . . . . 12 Kiloohm |
| Widerstand. R3, R 4 . . . . . . . . . . 22 Kiloohm |
| Widerstand R 7, R 8 . . . . . . . . . . 47 Ohm |
| Widerstand R 9 . . . . . . . . . . . . . . 3300 Ohm |
| Widerstand R10, R13, R14 .. 470 Ohm |
| Widerstand R 11 . . . . . . . . . . . . . 33 Ohm |
| Widerstand R 17, R 18 . . . . . . . . 5100 Ohm |
| Widerstand R 19 . . . . . . . . . . . . .. 30 Milliohm |
| Kondensator Cl, C2, C3, C 4 100 Mikrofarad |
| Kondensator C5 . .. . . . . . . . . . . 0,1 Mikrofarad |
Die voranstehenden Werte sind natürlich nur beispielsweise gegeben, so daß innerhalb
des Rahmens der Erfindung größere Abweichungen von den angegebenen Werten vorgesehen
werden können.
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Außer den vorerwähnten, durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielbaren
Vorteilen ist noch zu erwähnen, daß die Pulsationsfrequenz nicht durch Temperaturveränderungen
beeinflußt wird und die Vorrichtung nach nur einer halben oder einer Sekunde wieder
selbsttätig in Betrieb gesetzt wird, nachdem ein Kurzschluß oder eine Stromüberlastung
aufgetreten ist. Ferner kann die Arbeitsweise der Vorrichtung nicht durch eine Oxydation
von Kontaktflächen beeinträchtigt werden, da keine solchen Kontaktflächen vorhanden
sind, noch können mechanische Störungen auftreten. Wenn der Kurzschluß-und überlastungsschutz
für einen Strom von 10 Ampere bemessen wird und ein Leistungstransistor T5 für eine
maximale Stromstärke von 15 Ampere gewählt wird, wird eine voll zuverlässige Vorrichtung
erhalten. Die Feuersicherheit der Vorrichtung ist ebenfalls größtmöglich, da infolge
des Fehlens von Kontaktflächen keine Funken auftreten können.