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Elektronisch stabilisierte Spannungsquellen weisen im allgemeinen
ein Stellglied auf, das zwischen eine ungeregelte Spannungsquelle und einen Verbraucher
geschaltet ist. An diesem Stellglied fällt die überschüssige Spannung ab. Hierbei
wird die Leistung, die sich aus dem Produkt dieser Spannung und dem Strom durch
den Verbraucher ergibt, in Wärme umgesetzt. Solche elektronischen Serien-Regelsysteme
müssen im allgemeinen vor überlastungen durch zu hohe Stromentnahme geschützt werden.
Besteht das Stellglied aus Transistoren, so muß der überlastschutz sehr schnell
ansprechen, da wegen der geringen Wärmekapazität der Halbleiter schon sehr kurzzeitige
überlastungen des Stellgliedes gefährlich sind. Elektromechanische,überlastschutzeinrichtungen
sind im allgemeinen für diese Zwecke zu träge.
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Es sind Anordnungen bekannt, die rein elektronisch arbeiten, indem
sie bei überlastung das Stellglied sperren. Hierzu wird in den Lastkreis des Reglers
ein Widerstand gelegt, an dem eine dem Belastungsstrom proportionale Spannung entsteht.
Diese Spannung wird z. B. einer bistabilen Kippschaltung so zugeführt, daß diese
bei Überschreitung eines gewissen Schwellenwertes zum Ansprechen gebracht wird und
das Stellglied sperrt. Auf diese Weise wird ein sicherer Schutz des gesamten Reglers,
insbesondere aber des empfindlichen Stellgliedes erreicht. Ein solches System hat
folgende Nachteile: Um bei Kurzschlüssen. am Ausgang des Reglers einen sicheren
Schutz des Stellgliedes zu erreichen, muß das Einsetzen des elektronischen überlastschutzes
unverzögert erfolgen. Das bedeutet aber, daß bereits sehr kurzzeitige Überlastungen
des Reglers (z. B. beim Aufschalten auf eine kapazitive Last) zum Ansprechen des
überlastschutzes führen. Da der überlastschutz sehr schnell ansprechen muß, ist
er gegen #eingestreute Störspannungen sehr empfindlich. Erfahrungsgemäß müssen besondere
Maßnahmen zur Abschirmung und Entstörung ergriffen werden, um zu verhindern, daß
Störspannungen aus benachbarten Schaltanlagen nicht zu einem Ansprechen des elektronischen
überlastschutzes führen.
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Man versucht diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß statt der
bistabilen Schaltung ein Schwellenwertverstärker benutzt wird. Sobald die dem Belastungsstrom
proportionale Spannung an einem Widerstand den Schwellenwert des Verstärkers überschreitet,
wird das Stellglied mit einem elektrischen Signal so beaufschlagt, daß der Belastungsstrom
begrenzt wird. Eine solche elektronische überstrombegrenzung bewirkt einen sicheren
Schutz des Reglers bei allen Belastungsfällen. Die Anordnung ist sicher gegen eingestreute
Störspannungen und gestattet wegen der Begrenzung des Belastungsstromes auch das
Aufschalten des Reglers auf kapazitive Lasten. Das Prinzip des überlastschutzes
durch Strombegrenzung hat jedoch den Nachteil, daß im Falle eines Kurzschlusses
an den Ausgangsklemmen des Reglers die gesamte von der ungeregelten Spannungsquelle
gelieferte Leistung am Stellglied in Wärme umgesetzt wird. Diese Leistung liegt
aber bei dem doppelten bis dreifachen Wert der Verlustleistung, die im Nonnalbetrieb
auftritt. Das Stellglied muß demzufolge bei dieser Anordnung für wesentlich höhere
Verlustleistungen ausgelegt werden. Wird ein derartiger elektronischer Spannungsregler
mit Strombegrenzung zum überlastschutz für die Speisung umfangreicher elektronischer
Anlagen benutzt, so wird die Spannungsversorgung der einzelnen Funktionsgruppen
im allgemeinen über relativ dünne Zuleitungsdrähte sternförmig vom elektronischen
Regler her vorgenommen. Beim Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb einer Funktionsgruppe
fließt dann über die Spannungsversorgungsleitung dieser Funktionsgruppe praktisch
der gesamte Strom, der durch die überstrombegrenzung des Reglers vorgegeben ist.
Durch thermische überlastungen können hierbei in der Verdrahtung der Anlage schwere
Zerstörungen hervorgerufen werden. Wird der Regler zu hoch belastet, so geht er
über die Strombegrenzungsanordnung der Spannungsreglung in die Stromreglung über.
Seine Ausgangsspannung erniedrigt sich, wodurch die Funktion der gespeisten Anordnung
gefährdet wi#rd.
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Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzschaltung für elektronisch
stabilisierte Spannungsquellen, bei denen zur Regelung der einem Verbraucher zugeführten
Spannung ein elektronisches Stellglied mit einer ungeregelten Spannungsquelle, einem
Widerstand und dem Verbraucher in Reihe liegt und bei denen eine dem Verbraucherstrom
proportionale Spannung an dem Widerstand abgegriffen und einem Schwellenwertverstärker
zugeführt wird, der nach überschreiten eines bestimmten Eingangsschwellenwertes
ein auf das elektronische Stellglied in strombegrenzendem Sinne einwirkendes Signal
abgibt.
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Die Erfindung besteht bei dieser Überstromschutzschaltung darin, daß
das Ausgangssignal des Schwellenwertverstärkers zusätzlich einem Verzögerungsglied
zugeführt ist, dessen Ausgangssignal mitkoppelnd auf den Eingang des Schwellenwertverstärkers
rückgeführt ist.
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Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes kann einen weiteren Schwellenwertverstärker
beaufschlagen, der auf den ersten Schwellenwertverstärker rückgekoppelt ist und
diesen aussteuert.
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Gemäß einer besonderen Ausbildungsform der Erfindung bestehen die
Schwellenwertverstärker jeweils aus komplementären Transistoren, deren von einer
gemeinsamen Spannungsquelle gespeiste Emitter-Kollektor-Kreise einerseits unmittelbar,
andererseits über einen Widerstand miteinander verbunden sind, an dem eine Spannung
abfällt, die dem Verbraucherstrom proportional ist. Die Basis eines dieser Transistoren
liegt so in dem Emitter-Kollektor-Kreis des komplementären Transistors, daß das
Leitendwerden eines Transistors auch das Leitendwerden des komplementären Transistors
bewirkt. Durch die Rückkopplung bleibt dieser Schaltzustand erhalten, auch wenn
die den ersten Transistor aussteuernde Spannung wieder unter die Ansprechschwelle
gesunken ist.
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Ist der Transistor, der von der dem Verbraucherstrom proportionalen
Spannung beaufschlagt wird, z. B. vom npn-Typ, so kann er das aus einem Transistor
des gleichen Typs bestehende Stellglied dadurch in einfacher Weise beeinflussen,
daß zwischen seinem Kollektor und der Basis des Stellgliedtransistors eine Diode
geschaltet ist, die nach dem verzög2rten Leitendwerden des rückgekoppelten Transistors
ebenfalls leitend wird und dabei das Basispotential des Stellgliedtransistors in
sperrendem Sinne erniedrigt. Zur Verzögerung der Aussteuerung des rückgekoppelten
Transistors dient zweckmäßig eine RC-Kombination.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen
Schutzschaltung, F i g. 2 eine Ausführungsfärm.
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In F i g. 1 gelangt die ungeregelte Spannung einer Spannungsquelle
U über ein Stellglied S auf Ausgangsklemmen A und B des Spannungsregelsystems,
an das ein Verbraucher angeschlossen wird. Die Ausgangsspannung wird in der Funktionsgruppe
D mit der Sollspannung verglichen und die verstärkte Regelabweichung so auf
das Stellglied S geführt, daß die Abweichung der Ausgangsspannung von dem
eingestellten Nennwert möglichst gering ist. Dies ist das Prinzip des Spannungsreglers
mit Serienstellglied.
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Der überlastungssehutz wird mit Hilfe der Gruppen Z, Vl, V2 und eines
Shunts R bewirkt. Die dem Belastungsstrom proportionale Spannung am Shunt R wird
einem Schwellenwertverstärker V 1 zugeführt. Bei überschreitung des Schwellenwertes
findet ein solcher steu- ernder Eingriff auf das Stellglied S
statt, daß dessen
Ausgangsstrom begrenzt wird. Spricht infolge überlastung der Schwellenwertverstärker
Vl an, so gelangt auf den Eingang eines Verzögerungsgliedes Z eine Spannung. Diese
erscheint verzögert am Eingang eines Rückkopplungsverstärkers V2, der gleichfalls
Schwellenwertcharakter aufweist. überschreitet seine Eingangsspannung einen Schwellenwert,
so setzt zwischen den Verstärkern VI und V2 ein solcher Rückkopplungsprozeß ein,
daß V 1 voll ausgesteuert wird und das Stellglied S
sperrt.
Damit ist die Stromzufuhr zum Verbraucher unterbrochen, Regler und Last sind vor
Beschädigungen geschützt.
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Durch die Rückkopplung über die Verstärker Vl und V2 bleibt Verstärker
Vl auch dann voll ausgesteuert, wenn infolge Sperrung des Stellgliedes
S
die Spannung am Shunt R zu Null wird. Die Regeneration des Reglers kann
z. B. durch kurzzeitige Ab-
schaltung der Energiezuführ von der ungeregelten
Spannungsquelle U erfolgen oder durch steuernden Eingriff in den Rückkopplungskreis
zwischen Vl und V2. Die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes Z wird so gewählt,
daß bei Kurzschlüssen einige Millisekunden lang die Anordnung als überstrombegrenzer
arbeitet und die Abschaltung erfolgt, bevor eine thermische überlastung des Stellgliedes
S auftritt. Diese Zeitspanne ist so groß, daß beim Aufschalten des Spannungsreglers
auf große Kapazitäten noch keine Auslösung erfolgt. Die Anordnung ist außerdem gegen
eingestreute Störimpulse völlig unempfindlich, da die Zeitdauer dieser Impulse im
allgemeinen um mehrere Zehnerpotenzen unter der Ansprechzeit des Rückkopplungskreises
liegt.
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Trotz dieser wesentlichen Vorteile ist der erforderliche Aufwand für
die erfindungsgemäße Schutzschaltung nicht größer als bei bekannten Anordnungen,
die z. B. mit bistabilem Schaltkreis arbeiten.
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In F i g. 2 sind die Elemente für den Überlastungsschutz durch
die gestrichelt gezeichnete Umrandung VS hervorgehoben. Die Schaltung ist
durch Verwendung von zwei komplementären Transistoren P 1 und P2 für den
Rückkopplungskreis besonders einfach. Werden Siliziumtransistoren vorgesehen, so
kann die Anlaufspannung der Basis-Emitter-Sperrschicht zur Schwellenwertbildung
unmittelbar benutzt werden. Die Emitter-Kollektor-Kreise der komplementären Transistoren,
die von der gemeinsamen Spannungsquelle E gespeist werden, sind einmal unmittelbar,
andererseits über den Shunt R miteinander verbunden. Die Basis eines Transistors
liegt dabei so in dem Emitter-Kollektor-Kreis des anderen Transistors, daß bei Aussteuerung
(Leitendwerden) eines Transistors auch der andere Transistor ausgesteuert wird.
Das StellgliedS besteht aus den TransistorenP31, P32 und P33 vom npn-Typ
in Emitterfolgeschaltung. Zum Soll-Ist-Wertvergleich dient die Schaltgruppe
D,
deren Wirkungsweise an sich bekannt ist und hier nicht weiter erläutert
zu werden braucht.
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Solange der überlastungsschutz nicht angesprochen hat, sind die Transistoren
P 1 (npa-Typ) und P2 (pnp-Typ) stromlos. Daher sperrt die Kopplungsdiode
F, so daß auf das Stellglied S kein Einfluß ausgeübt wird. Bei überlastung
überschreitet die Spannung am Shunt R die Anlaufspannung der Basis-Emitter-Sperrschicht
des Transistors P 1; dieser wird leitend, und sein Kollektorpotential sinkt
ab. Damit wird auch die Kopplungsdiode F leitend, die das Basispotential des Steuertransistors
P31 und damit der übrigen Transistoren des Stellgliedes S so weit absenkt,
daß eine Strombegrenzung eintritt.
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Das Absinken der Kollektorspannung des Transistors P 1 setzt
sich verzögert über das Verzögerungsglied R 4, C 1 an der Basis
des Transistors P 2 fort. Wird die Ansprechschwelle der Basis-Emitter-Sperrschicht
von P2 überschritten, so wird P2 leitend. Hierdurch fließt ein zusätzlicher Strom
über WiderständeR2 und Rl, wodurch das Basispotential des TransistorsP1 ansteigt.
Hierdurch setzt die Rückkopplung ein, die ein schnelles Ansteigen des Kollektorstromes
des TransistorsP2 bewirkt, so daß Pl auch dann leitend bleibt, wenn infolge Sperrung
des StellgliedesS die Spannung am ShuntR verschwindet.